鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2021年04月08日
影響鋰離子電池低溫性能 有什么因素你了解嗎
鋰離子電池具有能量密度高、自放電小、輸出電壓高、循環壽命長和無記憶效應等優點,占據了以手機、筆記本電腦、數碼相機等為代表的消費類電子產品領域的絕大部分市場份額。目前,鋰離子電池在電動工具、電動自行車等領域的應用也呈現出幾何級數上升。
隨著鋰離子電池在電動汽車及特種領域應用的迅速發展,其低溫性能不能適應特殊低溫天氣或極端環境的缺點也愈發明顯。低溫條件下,鋰離子電池的有效放電容量和有效放電能量都會有明顯的下降,同時其在低于-10℃的環境下幾乎不可充電,這嚴重制約著鋰離子電池的應用。
鋰離子電池低溫性能影響因素
鋰離子電池重要由正極材料、負極材料、隔膜、電解液組成。處于低溫環境的鋰離子電池存在著放電電壓平臺下降、放電容量低、容量衰減快、倍率性能差等特點。制約鋰離子電池低溫性能的因素重要有以下幾點:
1.正極結構
正極材料的三維結構制約著鋰離子的擴散速率,低溫下影響尤其明顯。鋰離子電池的正極材料包括商品化的磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料、錳酸鋰、鈷酸鋰等,也包括處于開發階段的高電壓正極材料如鎳錳酸鋰、磷酸鐵錳鋰、磷酸釩鋰等。不同正極材料具有不同的三維結構,目前用作電動汽車動力鋰電池的正極材料重要是磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料和錳酸鋰。吳文迪等研究了磷酸亞鐵鋰離子電池與鎳鈷錳三元電池在-20℃的放電性能,發現磷酸鐵鋰離子電池在-20℃的放電容量只能達到常溫容量的67.38%,而鎳鈷錳三元電池能夠達到70.1%。杜曉莉等發現錳酸鋰離子電池在-20℃的放電容量可以達到常溫容量的83%。
2.高熔點溶劑
由于電解液混合溶劑中存在高熔點溶劑,鋰離子電池電解液在低溫環境下黏度增大,當溫度過低時會發生電解液凝固現象,導致鋰離子在電解液中傳輸速率降低。
3.鋰離子擴散速率
低溫環境下鋰離子在石墨負極中的擴散速率降低。向宇系統研究了石墨負極對鋰離子電池低溫放電性能的影響,提出低溫環境下鋰離子電池的電荷遷移阻抗增大,導致鋰離子在石墨負極中的擴散速率降低是影響鋰離子電池低溫性能的重要原因。
4.SEI膜
低溫環境下,鋰離子電池負極的SEI膜增厚,SEI膜阻抗增大導致鋰離子在SEI膜中的傳導速率降低,最終鋰離子電池在低溫環境下充放電形成極化降低充放電效率。
目前多因素影響著鋰離子電池的低溫性能,如正極的結構、鋰離子在電池各部分的遷移速率、SEI膜的厚度及化學成分以及電解液中鋰鹽和溶劑的選擇等。
低溫性能限制了鋰離子電池在電動汽車領域、特種領域及極端環境中的應用,開發低溫性能優異的鋰離子電池是市場的迫切需求。影響鋰離子電池壽命的影響因素很多,使用溫度、充放電電流、充放電截止電壓等因素都會影響鋰離子電池的衰降速度。造成鋰離子電池容量衰降的機理也可以分為三類:內阻和極化新增、正負極活性物質損失、Li損失,不同的外部因素對這三者的影響也各不相同。
例如LiFePO4材料的電池一般來說具有非常好的循環性能,但是美國德州大學阿靈頓分校的DerekN.Wong等研究發現使用條件對其循環壽命有著重要的影響,當DerekN.Wong分別對26650型號的LiFePO4電池進行15C脈沖放電和15C持續放電,兩種放電制度關于LiFePO4電池具有完全不同的影響。
15C脈沖放電的磷酸鐵鋰離子電池容量衰降非常快,40次后就無法進行15C放電,但是仍然能夠進行1C放電,1C放電的衰降速率為6%/20次。而15C持續放電電池容量衰降較慢,60次以后仍然能夠進行15C放電,但是1C倍率的衰降速率要快于15C脈沖放電,達到14%/20次。
機理研究顯示,15C脈沖放電的電池在負極的SEI膜中含有更多的LiF,而LiF對鋰離子擴散的阻礙更大,使得電池的Li+擴散阻抗和電荷交換阻抗迅速新增,從而使得電池在充放電過程中極化電壓過大,從而導致LiFePO4大電流放電能力迅速下降。










