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研究生:何庚寰
研究生(外文):Ken-Huan Ho
論文名稱:商用鋰離子電池循環老化之研究
論文名稱(外文):Study on Cycling Aging of Commercial Lithium Ion Battery
指導教授:洪賑城
指導教授(外文):Jan-Chen Hong
口試委員:洪賑城
口試委員(外文):Jan-Chen Hong
口試日期:2015-07-17
學位類別:碩士
校院名稱:大同大學
系所名稱:化學工程學系(所)
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:81
中文關鍵詞:鋰離子電池循環老化
外文關鍵詞:Lithium Ion BatteryCycling Aging
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本研究探討商用NMC-LMO鋰離子二次電池在相同充電速率、不同放電速率下,充放電循環圈數對電池電容量衰退之影響。我們利用3組商用電池作0.5C充電及0.5C、1C、2C放電實驗,直到電池電容量衰退至原始電容量之70%以下。充電及放電完成後各靜置3小時,每100圈作參考性能測試 (RPT)。 我們亦進行另一組相同實驗,但充放電完成後沒有靜置,也沒有作RPT。
實驗結果顯示隨充放電循環圈數增加,電容量逐漸減少,Incremental Capacity (IC) 曲線之波峰位置朝高電壓偏移,而波峰高度則下降。波峰向右偏移乃鋰離子損失及鈍化膜形成所致,而波峰高度下降則為活性材料損失所造成。充放電完成後有靜置且有作RPT時,0.5C、1C及2C放電之壽命(電容量衰退至70%之循環圈數)分別為197、236及276,顯示當電池以較快之速率放電,其壽命反而增加。可能的原因是本研究所使用之商用鋰電池本來就是設計給大電流放電使用的。
在未靜置及未作RPT狀況下,0.5C,1C及2C放電之壽命分別大幅提升至317、463及1000+(超過1000)。此結果顯示放電後之靜置確實造成顯著之電容量衰退。
根據上述實驗結果,我們建立一個循環圈數與靜置時間對電池電容量衰退之數學模式,其中之參數可利用實驗數據作非線性回歸得知。比較實驗數據及數學模式計算值顯示兩者相當吻合(R2>0.98),代表所建立之數學模式可以用來估測充放電循環時電池電容量之衰退。
The charge-discharge cycling effect on the battery capacity decay for commercial LMO-NMC lithium-ion battery has been studied with the same charge rate and various discharge rates. Three sets of batteries were all charged at 0.5C but discharged at 0.5C, 1C and 2C, respectively, until decaying to 70% of the original capacity at 25oC. The batteries were set to rest for three hours after each charge and discharge process and the reference performance test (RPT) was done every 100 cycles. Similar experiments were carried out again without rest and RPT.
Experimental results show that with increasing number of cycling, the capacity decreases, the positions of the peaks in incremental capacity (IC) curve shift toward the high voltage side, whereas the heights of the peaks decrease. The shifting of the peak position is due to the loss of lithium ions and formation of SEI, whereas the decrease of the peak height is due to the loss of active material. With RPT after each 100 cycles and 3-hour rest after each charge and discharge, the end of life (EOL), defined as the cycling number of decaying to 70% of original capacity, are 197, 236 and 276, for discharging at 0.5C, 1C and 2C, respectively. This indicates that the EOL increases with increasing discharge rate. One of the possible reasons is that the commercial battery used in this study is designed for large current discharging.
Without RPT and rest, the EOLs increase to 317, 463 and 1000+ (over 1000), for discharging at 0.5C, 1C and 2C, respectively. This indicates that the rest after the discharge results in significant capacity decay.
According to the experimental results, we have developed a mathematical model for the effect of cycling number and rest time on the capacity of battery. The parameters in the model have been obtained by nonlinear data regression. Comparison between model calculations and experimental data show that both are consistent with R2>0.98, indicating the model can be used to estimate the battery capacity decay during charge-discharge cycling.
誌謝 i
摘要 ii
Abstract iv
目錄 vi
表目錄 ix
圖目錄 x
標記符號 xiii
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 鋰離子二次電池及電極材料特性 3
1-2-1 LiCoO2 材料 3
1-2-2 LiFePO4材料 4
1-2-3 LiMn2O4材料 4
1-2-4 Li(NiMnCo)1/3O2材料 5
1-2-5 負極材料 5
1-3 鋰電池之工作原理 7
1-4 鋰電池電容量減少原因 8
1-4-1 鈍化膜的形成 8
1-4-2 溫度的影響 8
1-4-3 過充造成材料的分解及電解液氧化 8
1-4-4 電池貯存使用的影響 9
1-4-5 電池循環使用的影響 10
1-5 電容量對電壓之微分 11
1-6 研究目的 11
1-6-1 本研究室先前之研究 11
1-6-2 目前之研究 13
第二章 實驗 15
2-1 鋰離子電池 15
2-2 循環老化實驗 15
2-2-1 循環老化過程有靜置及參考性能測試 15
2-2-2 循環老化過程無靜置及無參考性能測試 16
2-3 測試機台 17
第三章 實驗數據處理與數學模式 18
3-1 電容量對電壓微分(Incremental Capacity)之計算 18
3-2 數據減量 18
3-3 移除參考性能測試影響 19
3-4 循環老化過程電容量衰退之數學模式 20
第四章 結果與討論 24
4-1 不同放電速率下電池之比較(有靜置及參考性能測試) 24
4-1-1 0.5C充電-0.5C放電(有靜置及參考性能測試) 24
4-1-2 0.5C充電-1C放電(有靜置及參考性能測試) 25
4-1-3 0.5C充電-2C放電(有靜置及參考性能測試) 25
4-1-4 不同放電速率之比較 26
4-2 有無靜置及參考性能測試之比較 26
4-2-1 充放電過程有靜置及參考性能測試 26
4-2-2 充放電過程無靜置及參考性能測試 27
4-3 循環老化過程電容量衰退之數學模式 28
4-3-1 12參數之數學模式 28
4-3-2 10參數之數學模式 29
第五章 結論 60
參考文獻 63
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