系統(tǒng)背景

Jeff Dahn 教授在實驗室

在電池材料研發(fā)過程中，成本、能量密度和壽命是最受關注的問題。在材料科學家的不斷努力下，電池行業(yè)正在逐漸克服這些問題，使電池的使用成本逐年下降。在2017 年的國際電池研討會中，來自加拿大DalhousieUniversity 的Jeff Dahn 介紹了改進化學材料后的NMC（鎳錳鈷三元材料）鋰離子電池所帶來的超長電池壽命，這一技術已被特斯拉使用在電池生產中。

我們無法完全消除電池老化，但更長的電池壽命意味著更緩慢的電池衰減，電動車用戶可以降低更換電池的頻率，使電動車的使用成本大幅度降低。但傳統(tǒng)方法評估電池壽命，需要高達上千次的重復充放電，以及長達幾個月的漫長等待時間。

為了更快速的了解電池壽命，Jeff Dahn 提出了高精度庫倫效率（CE, Couloumbic Efficiency）測試方法。它指的是電池放電容量與同循環(huán)過程中充電容量之比（CE= Discharge capacity/ Charge capacity）。因為在每一次電池充放電過程中，都會有一部分鋰離子的損耗，因此電池容量會隨著充放電過程逐漸減小，也就是我們經常說到的電池老化?？茖W家在測試過程中發(fā)現，經過若干次充放電后，電池的CE 值趨近于一個常數。這個數值越接近1，說明電池在充放電過程中的衰減越小，壽命也就越長。

使用這一方法，可以取代傳統(tǒng)充放電機上進行的壽命測試，在短時間內就可以根據CE 值得大小，判斷電池材料或者添加劑性能的好壞，并預測電池長期壽命。越來越多的電池研發(fā)機構和企業(yè)開始熟悉并采用這一方法，用于改進電池材料配方，加速電池材料和添加劑篩選和優(yōu)化。

橫軸是充放電次數，縱軸為庫倫效率值，趨近于一個常數

為了精確測量電池庫倫效率，Jeff Dahn 教授開發(fā)的全球第一套高精度庫倫效率測試系統(tǒng)中，大量使用了吉時利公司的源表和高精度測試設備，用于精確計算充、放電量。

在電池庫倫效率測試中使用源表，其先天優(yōu)勢是僅需一臺設備即可完成充、放電測試和電量測試，極大的簡化了測試系統(tǒng)。而源表還有非常高的測量精度，可以達到nA 甚至pA 級，一臺儀表就可以完成全部的輸出和測量功能。

Jeff Dahn 實驗室基于吉時利源表搭建的高精度庫倫效率測試系統(tǒng)

技術特點

• 高精度庫倫效率測試，高達萬分之一的測量精度
• 廣泛的輸出和測量范圍，從微安到安培級輸出電流，可以滿足從紐扣電池，到圓柱電池，再到軟包電池的測試需求
• 良好的控溫精度，為電池提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境，波動度小于0.1 度，適用于高校實驗室，企業(yè)研發(fā)部門和品質測試部門
• 自動化測試軟件，支持多通道并行測量，提高測試效率，圖形化顯示測試結果
• 使用四線法連接源表和電池，可以消除導線電阻的影響，使測量數值更加準確

使用源表四線法連接電池可以提高供電和測試精度

測試功能

• 常規(guī)電池充放電功能，測量并記錄充放電曲線
• 高精度電流，電壓測量和電量計算
• 用戶可以根據需要設置充放電范圍，充放電截止條件，采樣頻率，以及循環(huán)次數
• 高精度庫倫效率測試，記錄并顯示每個循環(huán)周期的電池庫倫效率變化

黃色為電壓曲線，綠色為電流曲線，藍色為電量曲線

18650 電池 50 周期庫倫效率測試結果，波動范圍小于萬分之一

系統(tǒng)結構

• 測試系統(tǒng)由源表，數據采集器和恒溫環(huán)境槽組成，可以根據需要同時測量的電池數量，添加或刪減源表數量
• 吉時利 2450/2460/2461 源表
• DAQ6510 溫度和數據采集器
• 恒溫環(huán)境箱
• 上位機軟件

集成在機柜中的 CE 測試系統(tǒng)

系統(tǒng)連接示意圖

恒溫槽和 CE 測試系統(tǒng)