低溫也會(huì)降低鋰離子電池的性能嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-11 10:34
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鋰離子電池主要由正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液組成。處于低溫環(huán)境的鋰離子電池存在著放電電壓平臺(tái)下降、放電容量低、容量衰減快、倍率性能差等特點(diǎn)。制約鋰離子電池低溫性能的因素主要有以下幾點(diǎn)：
◆正極結(jié)構(gòu)
正極材料的三維結(jié)構(gòu)制約著鋰離子的擴(kuò)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(kāi)發(fā)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(jié)構(gòu)，目前用作電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的正極材料主要是磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料和錳酸鋰。吳文迪等研究了磷酸亞鐵鋰電池與鎳鈷錳三元電池在－20℃的放電性能，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池在－20℃的放電容量只能達(dá)到常溫容量的67.38％，而鎳鈷錳三元電池能夠達(dá)到70.1％。杜曉莉等發(fā)現(xiàn)錳酸鋰電池在－20℃的放電容量可以達(dá)到常溫容量的83％。
◆高熔點(diǎn)溶劑
由于電解液混合溶劑中存在高熔點(diǎn)溶劑，鋰離子電池電解液在低溫環(huán)境下黏度增大，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)會(huì)發(fā)生電解液凝固現(xiàn)象，導(dǎo)致鋰離子在電解液中傳輸速率降低。
◆鋰離子擴(kuò)散速率
低溫環(huán)境下鋰離子在石墨負(fù)極中的擴(kuò)散速率降低。向宇系統(tǒng)研究了石墨負(fù)極對(duì)鋰離子電池低溫放電性能的影響，提出低溫環(huán)境下鋰離子電池的電荷遷移阻抗增大，導(dǎo)致鋰離子在石墨負(fù)極中的擴(kuò)散速率降低是影響鋰離子電池低溫性能的重要原因。
◆SEI膜
低溫環(huán)境下，鋰離子電池負(fù)極的SEI膜增厚，SEI膜阻抗增大導(dǎo)致鋰離子在SEI膜中的傳導(dǎo)速率降低，最終鋰離子電池在低溫環(huán)境下充放電形成極化降低充放電效率。
低溫也會(huì)降低鋰離子的性能，可能會(huì)影響極端情況下的起動(dòng)能力。
磷酸鋰具有良好的安全性和長(zhǎng)壽命，比能量適中，自放電能力增強(qiáng)。磷酸鐵鋰電池屬于鋰離子二次電池，一個(gè)主要用途是用于動(dòng)力電池，相對(duì)NI-MH、Ni-Cd電池有很大優(yōu)勢(shì)。
磷酸鐵鋰電池充放電效率較高，倍率放電情況下充放電效率可達(dá)90%以上，而鉛酸電池約為80%。
磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過(guò)充時(shí)也不會(huì)像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，因此擁有良好的安全性。有報(bào)告指出，實(shí)際操作中針刺或短路實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有小部分樣品出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，但未出現(xiàn)一例爆炸事件，而過(guò)充實(shí)驗(yàn)中使用大大超出自身放電電壓數(shù)倍的高電壓充電，發(fā)現(xiàn)依然有爆炸現(xiàn)象。雖然如此，其過(guò)充安全性較之普通液態(tài)電解液鈷酸鋰電池，已大有改善。
磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。
長(zhǎng)壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時(shí)率)使用，可達(dá)到2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護(hù)維護(hù)又半年”，最多也就1~1.5年時(shí)間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，理論壽命將達(dá)到7~8年。綜合考慮，性能價(jià)格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電，在專(zhuān)用充電器下，1.5C充電40分鐘內(nèi)即可使電池充滿(mǎn)，起動(dòng)電流可達(dá)2C,而鉛酸電池?zé)o此性能。
磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20C--+75C)，有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。
大容量
具有比普通電池(鉛酸等)更大的容量。單體容量為5AH-1000AH。
無(wú)記憶效應(yīng)
可充電池在經(jīng)常處于充滿(mǎn)不放完的條件下工作，容量會(huì)迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無(wú)須先放完再充電。
重量輕
同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。
該電池一般被認(rèn)為是不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬)，無(wú)毒(SGS認(rèn)證通過(guò))，無(wú)污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對(duì)的綠色環(huán)保電池證。所以鋰電池之所以被業(yè)界看好，主要是環(huán)?？剂?，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃，成為國(guó)家重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目。隨著中國(guó)加入WTO，中國(guó)電動(dòng)自行車(chē)的出口量將迅速增大，而進(jìn)入歐美的電動(dòng)自行車(chē)已要求配備無(wú)污染電池。
但有專(zhuān)家表示，鉛酸電池造成的環(huán)境污染，主要發(fā)生在企業(yè)不規(guī)范的生產(chǎn)過(guò)程和回收處理環(huán)節(jié)。同理，鋰電池屬于新能源行業(yè)不錯(cuò)，但它也不能避免重金屬污染的問(wèn)題。金屬材料加工中有鉛、砷、鎘、汞、鉻等都有可能會(huì)釋放到灰塵和水中。電池本身就是一種化學(xué)物質(zhì)，所以有可能會(huì)產(chǎn)生兩種污染：一是生產(chǎn)工程中的工藝排泄物污染；二是報(bào)廢以后的電池污染。
目前多因素影響著鋰離子電池的低溫性能，如正極的結(jié)構(gòu)、鋰離子在電池各部分的遷移速率、SEI膜的厚度及化學(xué)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(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域及極端環(huán)境中的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)低溫性能優(yōu)異的鋰離子電池是市場(chǎng)的迫切需求。
