·108· 工程科学学报，第39卷，第1期 材料表面形貌、粒径和电解液对负极固体电解质膜 依据 (solid electrolyte interface,SEI)的形貌及均匀性的影 1 实验部分 响，指出电解液离子电导率对一致性有很大影响：Ken- ney等[o研究电极在生产过程中主要参数（活性物质 我们选取了国外的四种（代号为P-1、P-2、S和 含量、厚度、孔隙率等)对一致性的影响，得出电极的 L)和国内的一种（代号B)18650电池为研究对象，五 厚度和孔隙率对电池容量的一致性影响最大；Santhan- 种电池的基本参数见表1. agopalan和White[)基于锂离子电池的电化学阻抗物 表1五种18650电池的特征参数 理模型量化分析各个组分对电池一致性的影响，指出 Table 1 Specifications of five types of 18650 lithium-ion cells 对于能量型电池隔膜的孔隙率影响较小，但遗憾的是 质量/ 标称容量/ 标称电压/交流内阻/ 没有实验数据的验证：Dubarry等[-通过对1O0支单 电池代号 (A-h) m 体电芯的统计和电化学分析，将不一致性的成因区分 P-1 邓 3.10 3.60 33 为活性物质含量、极化内阻、其他动态因素等三个方 P-2 46 2.85 3.60 20 面，并通过以单颗粒电化学模型(electrochemical mod-- 45 2.85 3.65 21 el,ECM)模拟和预测其电池及系统性能. L 46 2.85 3.62 24 在电池模组及系统方面，Chiu等o]采用实验与理 47 2.70 3.62 25 论模型相结合的方式，研究串联系统内各电池温度差 异对电池系统内部一致性及寿命的影响，得出在34℃ 在实验中，每种电池各选取20支作为样本.我们 的平均温度下，当电池之间温度差为0℃时电池在经 考虑了初始状态和老化状态两个阶段的一致性.在初 过2000次循环后容量减少19%，而当温度差增大至 始阶段，我们研究了电流、温度及电压对电池一致性的 18℃时在同样的循环次数后电池容量相比初始状态 影响：在老化阶段，我们探究了常温循环过程中不同类 降低22%，同时这种影响随环境温度的增加而增大， 型电池一致性演变的差异.具体如图1所示. 如当环境温度上升至60℃，电池之间的温度差为18 ℃时，在经过2000次循环后寿命衰减45%.王佳元 间 等研究车用动力电池全生命周期内的一致性，发现 度 倍率放电 电流.I 模组内的温度场与电池的极化现象有密切联系，并对 倍率充电 单体电池的老化有着明显的影响，并建议在电池筛选 初期就应该充分考虑单体电池的容量差异与极化差 异.Gogoana等[]研究直流内阻(direct current resist- 电压，0同二一充电上限不同放} 常温循环 电下限下的倍率放电i ance,DCR)差异对电池寿命的影响，揭示了电池模组 的寿命与单个电池的初始直流内阻的关联性比较小， 温度，T 低温充电 但电池之间直流内阻的差异却对并联成组模块的寿命 有很大的影响 倍率放电 综上所述，目前关于电池一致性的研究主要集中 初始 老化一 在两个方面：(1)电池设计中电极设计参数的公差范 时间维度 围及制备过程中工艺控制的公差范围对一致性的影 图1电池一致性评价的实验方案 响：(2)电池模组或系统中电池之间的一致性（温度、 Fig.I Experimental schedule to evaluate the cell consistency 直流内阻、容量等)对电池模组和系统寿命的影响.目 前，单体电池之间一致性在使用过程中的演变尚未得 1.1倍率特性 到充分的理解].此外，文献中尚未报道不同电池在 如下测试均在Maccor5V/5A和宏展80L高低温 初期阶段和老化过程中一致性及其演化的对比.这方 箱中联合进行 面的研究不仅可以逆向指导电池工艺设计及生产控 1.1.1容量测试 制：同时也可以正向指导电池系统设计，确定电池系统 (1)倍率放电（充电上限4.2V):以标称容量C 内部温度控制范围、工作电流/功率等重要参数 (ca即pacity)为基准，0.3C倍率进行恒流恒压充电，电压 本文对国内外五款典型的电动车用18650电池的 截止为4.2V,电流截止为0.03A:静置10min:然后分 一致性进行对比分析，试图找出18650电池在纯电动 别以0.2C,0.3C0.5C、1C、1.5C和2C进行放电，放电 车上应用的合理工作环境和状态，最后分析影响一致 截止电压为2.5V. 性的原因，找出问题根源，为后期提高一致性提供可靠 (2)倍率放电（充电上限4.1V):按照(1）中的步工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 材料表面形貌、粒径和电解液对负极固体电解质膜 (solid electrolyte interface, SEI) 的形貌及均匀性的影 响,指出电解液离子电导率对一致性有很大影响;Ken鄄 ney 等[6]研究电极在生产过程中主要参数(活性物质 含量、厚度、孔隙率等) 对一致性的影响,得出电极的 厚度和孔隙率对电池容量的一致性影响最大;Santhan鄄 agopalan 和 White [7]基于锂离子电池的电化学阻抗物 理模型量化分析各个组分对电池一致性的影响,指出 对于能量型电池隔膜的孔隙率影响较小,但遗憾的是 没有实验数据的验证;Dubarry 等[8鄄鄄9] 通过对 100 支单 体电芯的统计和电化学分析,将不一致性的成因区分 为活性物质含量、极化内阻、其他动态因素等三个方 面,并通过以单颗粒电化学模型( electrochemical mod鄄 el, ECM)模拟和预测其电池及系统性能. 在电池模组及系统方面,Chiu 等[10]采用实验与理 论模型相结合的方式,研究串联系统内各电池温度差 异对电池系统内部一致性及寿命的影响,得出在 34 益 的平均温度下,当电池之间温度差为 0 益 时电池在经 过 2000 次循环后容量减少 19% ,而当温度差增大至 18 益时在同样的循环次数后电池容量相比初始状态 降低 22% ,同时这种影响随环境温度的增加而增大, 如当环境温度上升至 60 益 ,电池之间的温度差为 18 益时,在经过 2000 次循环后寿命衰减 45% . 王佳元 等[11]研究车用动力电池全生命周期内的一致性,发现 模组内的温度场与电池的极化现象有密切联系,并对 单体电池的老化有着明显的影响,并建议在电池筛选 初期就应该充分考虑单体电池的容量差异与极化差 异. Gogoana 等[12] 研究直流内阻( direct current resist鄄 ance, DCR)差异对电池寿命的影响,揭示了电池模组 的寿命与单个电池的初始直流内阻的关联性比较小, 但电池之间直流内阻的差异却对并联成组模块的寿命 有很大的影响. 综上所述,目前关于电池一致性的研究主要集中 在两个方面:(1) 电池设计中电极设计参数的公差范 围及制备过程中工艺控制的公差范围对一致性的影 响;(2)电池模组或系统中电池之间的一致性(温度、 直流内阻、容量等)对电池模组和系统寿命的影响. 目 前,单体电池之间一致性在使用过程中的演变尚未得 到充分的理解[13] . 此外,文献中尚未报道不同电池在 初期阶段和老化过程中一致性及其演化的对比. 这方 面的研究不仅可以逆向指导电池工艺设计及生产控 制;同时也可以正向指导电池系统设计,确定电池系统 内部温度控制范围、工作电流/ 功率等重要参数. 本文对国内外五款典型的电动车用 18650 电池的 一致性进行对比分析,试图找出 18650 电池在纯电动 车上应用的合理工作环境和状态,最后分析影响一致 性的原因,找出问题根源,为后期提高一致性提供可靠 依据. 1 实验部分 我们选取了国外的四种(代号为 P鄄鄄 1、P鄄鄄 2、S 和 L)和国内的一种(代号 B) 18650 电池为研究对象,五 种电池的基本参数见表 1. 表 1 五种 18650 电池的特征参数 Table 1 Specifications of five types of 18650 lithium鄄ion cells 电池代号 质量/ g 标称容量/ (A·h) 标称电压/ V 交流内阻/ m赘 P鄄鄄1 45 3郾 10 3郾 60 33 P鄄鄄2 46 2郾 85 3郾 60 20 S 45 2郾 85 3郾 65 21 L 46 2郾 85 3郾 62 24 B 47 2郾 70 3郾 62 25 在实验中,每种电池各选取 20 支作为样本. 我们 考虑了初始状态和老化状态两个阶段的一致性. 在初 始阶段,我们研究了电流、温度及电压对电池一致性的 影响;在老化阶段,我们探究了常温循环过程中不同类 型电池一致性演变的差异. 具体如图 1 所示. 图 1 电池一致性评价的实验方案 Fig. 1 Experimental schedule to evaluate the cell consistency 1郾 1 倍率特性 如下测试均在 Maccor 5 V/ 5 A 和宏展 80 L 高低温 箱中联合进行. 1郾 1郾 1 容量测试 (1) 倍率放电(充电上限 4郾 2 V):以标称容量 C (capacity)为基准,0郾 3C 倍率进行恒流恒压充电,电压 截止为 4郾 2 V,电流截止为 0郾 03 A;静置 10 min;然后分 别以 0郾 2C、0郾 3C、0郾 5C、1C、1郾 5C 和 2C 进行放电,放电 截止电压为 2郾 5 V. (2) 倍率放电(充电上限 4郾 1 V):按照(1)中的步 ·108·