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锂离子电池电化学性能测试系统及其应用研究

蔡勇  
【摘要】:随着能源危机和环境污染的日趋严重,新能源的开发应用变得越来越重要,锂离子电池由于其工作电压高、比能量高、循环寿命长、无污染等优点成为新能源领域研究的热点,并在便携式电子产品、电动自行车、储能设备等领域得到广泛应用。随着锂离子电池的快速发展,人们对电池的性能和质量提出了更高的要求,电池性能和质量的提高主要依赖电池组成材料的开发改进以及电池工艺的革新,而电池测试系统在电池研究中发挥着极其重要作用。 为了促进锂电池发展,满足锂电池研究中不断提高的测试需求,论文研究并设计了一种多通道高精度锂电池性能测试系统,其主要包含充放电测试模块、数据采集模块、内阻检测模块、扩展电路模块和数据通信模块。通过研究电池充放电测试方法,提出了一种基于MOSFET负反馈型可编程精密恒流源的设计方法,实现了对电池恒流充电,恒压充电和恒流放电的精确控制;为了满足多种测试条件的需要,提高系统的通用性,提出了电池电流采集的宽量程设计,实现了恒流源多档位高精度输出以及电池电流的高精度采集,不仅能满足中小型容量锂电池的研究需要,还能满足面向材料的锂电池研究需要;针对电池内阻在线测量的难点,提出了一种利用锁相放大技术提取微弱信号实现电池内阻检测的方法,为在特定条件下研究电池内阻提供了条件。 测试系统是一个主从控制的实时多任务系统,控制过程十分复杂,在软件设计上使用层次化,模块化的设计方法,从顶到下将各个软件模块整合起来构成完整的测试系统。这种软件设计方法,便于对整个开发过程的管理、程序的修改和整个系统功能的扩展、升级。论文分别从嵌入式软件和上位机软件两个部分讨论了软件的设计和构成,单片机软件基于C语言开发,主要实现测量控制和数据采集;上位机软件基于LabVIEW开发,主要实现人机交互、主从控制和数据处理分析。 为了提高测试系统的精度和可靠性,论文对影响系统稳定性的各种因素进行了分析,分别从硬件和软件两个方面研究了提高系统可靠性的方法。为了验证系统的性能和可靠性,论文对电池测试过程中获得的恒流输出值、电流采样值、电压采样值和内阻检测值进行了数据对比分析,实验数据表明测试系统具有高精度、高可靠性。 高性能的电池发展最终依赖于电极材料,论文从电极材料研究的实际出发,借助现有测试条件,探索了高性能材料合成和改进以及它们在电池电极领域的应用。NbOx由于其稳定的循环性能,已经引起电化学储锂方面的特别关注,通过油酸胺调控水热合成NbOx纳米颗粒,退火后获得NbOx@C,将NbOx@C应用于电池负极测试,实验结果表明由于碳成分改善了电极材料的导电性以及活性物质的利用率,对比NbOx其具有更好的容量和循环性能。由于NiO具有很高的理论能量密度值,而使其成为最有潜力的电极材料,而某些纳米NiO电极所表现出的循环性能并不理想,通过水热法合成制备a-Ni(OH)2微球,并在不同的温度下(450℃、600℃和750℃)退火获得相应的NiO矩阵(NiO-450、NiO-600和Ni0750),将获得的NiO矩阵应用于电池负极测试,实验结果表明NiO-600和Ni0750由于纳米颗粒结构的变化表现出优异的循环性能,表明电极材料的结构特性在改善其循环性能方面也扮演了一个重要的角色。在诸多关于过渡金属氧化物电化学性能的研究中已知很少有关于Mn203作为锂电负极材料的应用,通过水热法合成制备多孔一维Mn203纳米结构,考察其电化学性能,并将其应用于锂离子电池负极材料。实验证明多孔Mn203纳米纤维、纳米棒、纳米线具有较高的初始容量,然而其循环性能不够理想,这些多孔一维Mn203纳米结构在锂离子电池领域中仍有潜在的应用前景。


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