T∕CES 136-2022 液态金属储能电池老化与安全特性评估方法.pdf

ICS 29.220.99 CCS F 19 团体标准T/CES 1362022 液态金属储能电池老化与安全特性 评估方法 Evaluation method for aging and safety characteristics of liquid metal energy storage battery 2022-06-22 发布 2022-06-24 实施中国电工技术学会 发布 T/CES 1362022 I 目 次 前言.1 范围.1 2 规范性引用文件.1 3 定义与术语.1 4 符号、代号和缩略语.2 5 试验准备.2 5.1 测试环境.2 5.2 初始容量测试.2 5.3 初始内阻测试.2 6 老化测试.3 6.1 老化容量测量.3 6.2 老化内阻测量.3 6.3 老化状态评估.3 6.4 循环性能测试.3 6.5 加速老化测试.4 7 安全性测试.4 7.1 热循环试验.4 7.2 温度冲击试验.4 7.3 过充电试验.5 7.4 过放电试验.5 7.5 外部短路试验.5 7.6 倾斜试验.6 7.7 震动试验.6 T/CES 1362022 II 前 言 本文件按照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件由中国电工技术学会储能技术专业分会提出。本文件由中国电工技术学会归口。本文件由中国电工技术学会团体标准技术办公室提出并解释。本文件起草单位：华中科技大学、西安交通大学、北京科技大学、威胜集团有限公司。本文件主要起草人：蒋凯、李浩秒、王康丽、何亚玲、王玮、宁晓辉、赵海雷、石琼林、郭振林、张益。T/CES 1362022 1 液态金属储能电池老化与安全特性评估方法 1 范围 本标准规定了液态金属电池单体的电性能测试、老化测试、加速老化测试和安全性测试以及评估方法。本标准适用于单体液态金属储能电池（以下简称“电池”）。2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的，凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件，凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 362762018 电力储能用锂离子电池 GB 380312020 电动汽车用动力蓄电池安全要求 3 定义与术语 下列定义和术语使用于本文件。3.1 液态金属电池 liquid metal battery 液态金属电池是由上下两层液态金属电极和中间层无机熔融盐电解质组成，电池的工作温度为20700。3.2 电池单体 cell 实现化学能和电能相互转化的基本单元，由正极、负极、电解质、壳体和引线端子等组成。3.3 额定容量 rated capacity 在工作温度下，电池以 5h 率放电至截止电压时的容量，以 C5表示，单位为安时（Ah）或毫安时（mAh），液态金属电池额定容量一般为 10Ah、20Ah、50Ah、200Ah、500Ah 等。3.4 限制电压 limiting voltage 规定电池充电时的截止电压，充电时液态金属电池的限制电压一般为（1.2V2.0V）/单体。3.5 终止电压 cut-off discharge voltage 规定电池放电时的截止电压，放电时液态金属电池的终止电压一般为（0.5V1.0V）/单体。3.6 标准充电 standard charge 在工作温度下，对电池以 1 I5 A 恒流充电至限制电压后恒压充电，直至充电电流小于 0.1 I5 A。3.7 标准放电 standard discharge 在工作温度下，对电池以 1 I5 A 恒流放电至终止电压。3.8 初始容量 initial capacity 在工作温度下，电池初始状态测定的放电容量，记为 Q0。3.9 初始内阻 initial impedance 在工作温度下，电池初始状态测定的内阻，记为 R0。T/CES 1362022 2 4 符号、代号和缩略语 下列符号、代号和缩略语适用于本文件。C5：5h 率额定容量（Ah）I5：5h 率放电电流，其数值等于 C5/5h（A）5 试验准备 5.1 测试环境 如果没有特别说明，本标准所有测试均将液态金属电池置于加热炉中，加热炉温度设定为电池性能最优的温度，如 Li|SbSn 体系额定工作温度为 550；Li|Bi 体系额定工作温度为 500。5.2 初始容量测试 在额定工作下，测定电池初始容量。具体步骤如下：a）电池单体以 1 I5 A 按 3.6 所示方法标准充电；b）静置 5min；c）电池单体以 1 I5 A 按 3.7 所示方法标准放电，记录放电容量为电池容量；d）静置 5min；e）重复步骤 a）步骤 d）5 次，求取平均值记为电池初始容量 Q0。5.3 初始内阻测试 在额定工作温度下，采用直流放电法测量电池初始内阻，即对电池进行脉冲充放电，再通过电压变化来计算电池内阻。具体步骤为：a）电池单体以 1 I5 A 按 3.6 所示方法标准充电；b）静置 1h；c）电池单体以 1 I5 A 放电 10s；d）静置 40s；e）电池单体以 1 I5 A 充电 10s。测量过程电压特征点如图 1 所示，记录电池电压变化，内阻 R 的计算公式见公式（1）：12432UUUURI+=（1）式中：I 充放电电流，单位为安（A）；U 各测量特征点瞬时电压，单位为伏（V）。图 1 内阻测量电压电流曲线 T/CES 1362022 3 6 老化测试 6.1 老化容量测量 在额定工作温度下，测定老化电池容量，具体步骤如下：a）电池单体以1 I5 A按3.6所示方法标准充电；b）静置5min；c）电池单体以1 I5 A按3.7所示方法标准放电，记录放电容量为电池容量；d）静置5min；e）重复步骤a）步骤d）5次，求取平均值记为电池老化容量Qage。6.2 老化内阻测量 在额定工作温度下，测定老化电池内阻，具体步骤如下：a）电池单体以1 I5 A按3.6所示方法标准充电；b）静置1h；c）电池单体以1 I5 A放电10s；d）静置40s；e）电池单体以1 I5 A充电10s。采用5.3所示公式（1）计算老化内阻Rage。6.3 老化状态评估 电池老化状态SOH一般以容量或者内阻来评估，具体方法如下：a）以容量为健康因子评估电池SOH 在额定工作温度下，采用5.2、6.1方法测定电池初始容量以及老化容量，根据公式（2）判定老化状态SOH：age0SOHQQ=（2）b）以内阻为健康因子评估电池SOH 在额定工作温度下，采用5.3、6.2方法测定电池初始内阻以及老化内阻，根据公式（3）判定老化状态SOH：EOLageEOL0SOHRRRR=（3）式中：REOL电池寿命终止时的内阻（m）。6.4 循环性能测试 在额定工作温度下，测定电池循环性能，具体步骤如下：a）电池单体以1 I5 A按3.6所示方法标准充电；b）静置5min；c）电池单体以1 I5 A按3.7所示方法标准放电；d）静置5min；e）重复步骤a）步骤d）。T/CES 1362022 4 采取以上步骤对液态金属电池进行充放电，并采用6.3方法测试电池SOH，SOH变化代表电池循环性能，一般小于0.5%/循环。6.5 加速老化测试 电池在极端工作条件下的充放电循环测试即为加速老化测试。以温度、倍率、充放电深度作为加速因子为例，液态金属电池的加速老化测试步骤具体为：a）倍率加速老化 1）在额定工作温度下，电池单体以大于1 I5 A电流按3.6所示方法标准充电；2）静置5min；3）电池单体以大于1 I5 A电流按3.7所示方法标准放电；4）静置5min；5）重复步骤a）步骤d）。电池应不短路、不泄漏、不着火。b）温度加速老化 1）在高于额定工作温度条件下，电池单体以1 I5 A按3.6所示方法标准充电；2）静置5min；3）电池单体以1 I5 A按3.7所示方法标准放电；4）静置5min；5）重复步骤a）步骤d）。电池应不短路、不泄漏、不着火。c）充放电深度加速老化 1）在额定工作温度条件下，电池单体以1 I5 A进行至超过限制电压；2）静置5min；3）电池单体以1 I5 A进行放电至低于终止电压；4）静置5min；5）重复步骤a）步骤d）。电池应不短路、不泄漏、不着火。7 安全性测试 7.1 热循环试验 电池热循环试验具体步骤如下：a）电池单体以1 I5 A按3.6所示方法标准充电；b）从额定工作温度降至室温（降温速率2/min）；c）升温至额定工作温度（升温速率2/min）；d）电池单体以1 I5 A按3.7所示方法标准放电。电池放电时间应不小于4.5h，电池应不短路、不泄漏、不着火、外观无变形。7.2 温度冲击试验 温度冲击试验具体步骤如下：a）在电池系统回路中增加继电器等相关保护装置；b）在额定工作温度下，电池单体SOC调整到正常工作范围的中间部分，只要测试对象能够正常运行，可不进行精确调整；T/CES 1362022 5 c）在额定工作温度下，电池单体以1 I5 A按3.6所示方法标准充电；d）开路搁置状态下，以2/min速率升温50，并保持此温度1h；e）恢复额定工作温度；f）开路搁置状态下，以2/min速率降温50，并保持此温度1h；电池应不短路、不泄漏、不着火、外观无变形。7.3 过充电试验 过充电试验按GB 380312020的方法进行试验，具体步骤如下：a）在电池系统回路中增加继电器等相关保护装置；b）在额定工作温度下，将电池单体SOC调整到正常工作范围的中间部分，只要测试对象能够正常运行，可不进行精确调整；c）电池单体以1 I5 A进行充电，直至达到电池限制电压的1.1倍或者110%SOC；d）静置5min；e）电池单体以1 I5 A按3.7所示方法标准放电；f）静置5min。电池应不短路、不泄漏、不着火、外观无变形。当电池单体满足以下任一条件时，结束试验：a）若电池升高至额定工作温度50以上时；b）当电池温度没有升高至额定工作50以上时，步骤c）步骤f）循环5次；c）试验对象电流不能恒定1 I5 A。7.4 过放电试验 过放电试验按GB 380312020的方法进行试验，具体步骤如下：a）在电池系统回路中增加继电器等相关保护装置；b）在额定工作温度下，将电池单体SOC调整到正常工作范围的中间部分，只要测试对象能够正常运行，可不进行精确调整；c）在额定工作温度下，电池单体以1 I5 A按3.6所示方法标准充电；d）静置5min；e）电池单体以1 I5 A进行放电6.25h；f）静置5min。电池应不短路、不泄漏、不着火、外观无变形。当电池单体满足以下任一条件时，结束试验：a）若电池升高至额定工作温度50以上时；b）当电池温度没有升高至额定工作50以上时，步骤c）步骤f）循环5次；c）试验对象电流不能恒定1 I5 A。7.5 外部短路试验 外部短路试验按GB/T 362762018的方法进行试验，具体步骤如下：a）在电池系统回路中增加继电器等相关保护装置；b）在额定工作温度下，将电池单体SOC调整到正常工作范围的中间部分，只要测试对象能够正常运行，可不进行精确调整；c）用电阻值不大于50m 的导线连接电池的正负极端，使之短路。保持短路状态，电池应不泄漏、不着火、不爆炸、外观无变形。当电池满足以下任一条件时，结束试验：a）试验对象的保护功能起作用，并终止短路电流；T/CES 1362022 6 b）实验对象外壳温度稳定（温度变化在2h内小于50），短路时间不应少于20min。7.6 倾斜试验 倾斜试验具体步骤如下：a）在电池系统回路中增加继电器等相关保护装置；b）在额定工作温度下，将电池单体SOC调整到正常工作范围的中间部分，只要测试对象能够正常运行，可不进行精确调整；c）将电池固定在加热炉中，将其固定于可倾斜的平台上；d）在额定工作温度下，电池单体以1 I5 A按3.6所示方法标准充电；e）将平台倾斜，倾斜角度为5；f）按照3.6、3.7方法充放电一个循环。保持倾斜状态，电池应不短路、不泄漏、不着火、不爆炸。当电池满足以下任一条件时