影響鋰離子電池低溫性能決定性因素的必要條件有哪些
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-06 09:55
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電解液對(duì)鋰離子電池低溫性能的影響最大，電解液的成分及物化性能對(duì)電池低溫性能有重要影響。電池低溫下循環(huán)面臨的問題是：電解液粘度會(huì)變大，離子傳導(dǎo)速度變慢，造成外電路電子遷移速度不匹配，因此電池出現(xiàn)嚴(yán)重極化，充放電容量出現(xiàn)急劇降低。尤其當(dāng)?shù)蜏爻潆姇r(shí)，鋰離子很容易在負(fù)極表面形成鋰枝晶，導(dǎo)致電池失效。
電解液的低溫性能與電解液自身電導(dǎo)率的大小關(guān)系密切，電導(dǎo)率大電解液的傳輸離子快，低溫下可以發(fā)揮出更多的容量。電解液中的鋰鹽解離的越多，遷移數(shù)目就越多，電導(dǎo)率就越高。電導(dǎo)率高，離子傳導(dǎo)速率越快，所受極化就越小，在低溫下電池的性能表現(xiàn)越好。因此較高的電導(dǎo)率是實(shí)現(xiàn)鋰離子蓄電池良好低溫性能的必要條件。
電解液的電導(dǎo)率與電解液的組成成分有關(guān)，減小溶劑的粘度是提高電解液電導(dǎo)率的途徑之一。溶劑低溫下溶劑良好的流動(dòng)性是離子運(yùn)輸?shù)谋Ｕ?，而低溫下電解液在?fù)極所形成的固體電解質(zhì)膜也是影響鋰離子傳導(dǎo)的關(guān)鍵，且RSEI為鋰離子電池在低溫環(huán)境下的主要阻抗。
專家二：限制鋰離子電池低溫性能的主要因素是低溫下急劇增加的Li+擴(kuò)散阻抗，而并非SEI膜。
鋰離子電池正極材料的低溫特性
1層狀結(jié)構(gòu)正極材料的低溫特性
層狀結(jié)構(gòu)，既擁有一維鋰離子擴(kuò)散通道所不可比擬的倍率性能，又擁有三維通道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是最早商用的鋰離子電池正極材料。其代表性物質(zhì)有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。
謝曉華等以LiCoO2/MCMB為研究對(duì)象，測(cè)試了其低溫充放電特性。
結(jié)果顯示，隨著溫度的降低，其放電平臺(tái)由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃)；其電池總?cè)萘恳灿?8.98mA·h(0℃)銳減到68.55mA·h(–30℃)。
2尖晶石結(jié)構(gòu)正極材料的低溫特性
尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn2O4正極材料，由于不含Co元素，故而具有成本低、無毒性的優(yōu)勢(shì)。
然而，Mn價(jià)態(tài)多變和Mn3+的Jahn-Teller效應(yīng)，導(dǎo)致該組分存在著結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和可逆性差等問題。
彭正順等指出，不同制備方法對(duì)LiMn2O4正極材料的電化學(xué)性能影響較大，以Rct為例：高溫固相法合成的LiMn2O4的Rct明顯高于溶膠凝膠法合成的，且這一現(xiàn)象在鋰離子擴(kuò)散系數(shù)上也有所體現(xiàn)。究其原因，主要是由于不同合成方法對(duì)產(chǎn)物結(jié)晶度和形貌影響較大。
3磷酸鹽體系正極材料的低溫特性
LiFePO4因絕佳的體積穩(wěn)定性和安全性，和三元材料一起，成為目前動(dòng)力電池正極材料的主體。磷酸鐵鋰低溫性能差主要是因?yàn)槠洳牧媳旧頌榻^緣體，電子導(dǎo)電率低，鋰離子擴(kuò)散性差，低溫下導(dǎo)電性差，使得電池內(nèi)阻增加，所受極化影響大，電池充放電受阻，因此低溫性能不理想。
谷亦杰等在研究低溫下LiFePO4的充放電行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，其庫倫效率從55℃的100%分別下降到0℃時(shí)的96%和–20℃時(shí)的64%；放電電壓從55℃時(shí)的3.11V遞減到–20℃時(shí)的2.62V。
Xing等利用納米碳對(duì)LiFePO4進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)，添加納米碳導(dǎo)電劑后，LiFePO4的電化學(xué)性能對(duì)溫度的敏感性降低，低溫性能得到改善；改性后LiFePO4的放電電壓從25℃時(shí)的3.40V下降到–25℃時(shí)的3.09V，降低幅度僅為9.12%；且其在–25℃時(shí)電池效率為57.3%，高于不含納米碳導(dǎo)電劑的53.4%。
近來，LiMnPO4引起了人們濃厚的興趣。研究發(fā)現(xiàn)，LiMnPO4具有高電位(4.1V)、無污染、價(jià)格低、比容量大(170mAh/g)等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于LiMnPO4比LiFePO4更低的離子電導(dǎo)率，故在實(shí)際中常常利用Fe部分取代Mn形成LiMn0.8Fe0.2PO4固溶體。
鋰離子電池負(fù)極材料的低溫特性
相對(duì)于正極材料而言，鋰離子電池負(fù)極材料的低溫惡化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，主要有以下3個(gè)原因：
低溫大倍率充放電時(shí)電池極化嚴(yán)重，負(fù)極表面金屬鋰大量沉積，且金屬鋰與電解液的反應(yīng)產(chǎn)物一般不具有導(dǎo)電性；
從熱力學(xué)角度，電解液中含有大量C–O、C–N等極性基團(tuán)，能與負(fù)極材料反應(yīng)，所形成的SEI膜更易受低溫影響；
碳負(fù)極在低溫下嵌鋰?yán)щy，存在充放電不對(duì)稱性。
電解液的低溫性能與電解液自身電導(dǎo)率的大小關(guān)系密切，電導(dǎo)率大電解液的傳輸離子快，低溫下可以發(fā)揮出更多的容量。電解液中的鋰鹽解離的越多，遷移數(shù)目就越多，電導(dǎo)率就越高。電導(dǎo)率高，離子傳導(dǎo)速率越快，所受極化就越小，在低溫下電池的性能表現(xiàn)越好。因此較高的電導(dǎo)率是實(shí)現(xiàn)鋰離子蓄電池良好低溫性能的必要條件。
電解液的電導(dǎo)率與電解液的組成成分有關(guān)，減小溶劑的粘度是提高電解液電導(dǎo)率的途徑之一。溶劑低溫下溶劑良好的流動(dòng)性是離子運(yùn)輸?shù)谋Ｕ?，而低溫下電解液在?fù)極所形成的固體電解質(zhì)膜也是影響鋰離子傳導(dǎo)的關(guān)鍵，且RSEI為鋰離子電池在低溫環(huán)境下的主要阻抗。
專家二：限制鋰離子電池低溫性能的主要因素是低溫下急劇增加的Li+擴(kuò)散阻抗，而并非SEI膜。
鋰離子電池正極材料的低溫特性
1層狀結(jié)構(gòu)正極材料的低溫特性
層狀結(jié)構(gòu)，既擁有一維鋰離子擴(kuò)散通道所不可比擬的倍率性能，又擁有三維通道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是最早商用的鋰離子電池正極材料。其代表性物質(zhì)有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。
謝曉華等以LiCoO2/MCMB為研究對(duì)象，測(cè)試了其低溫充放電特性。
結(jié)果顯示，隨著溫度的降低，其放電平臺(tái)由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃)；其電池總?cè)萘恳灿?8.98mA·h(0℃)銳減到68.55mA·h(–30℃)。
2尖晶石結(jié)構(gòu)正極材料的低溫特性
尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn2O4正極材料，由于不含Co元素，故而具有成本低、無毒性的優(yōu)勢(shì)。
然而，Mn價(jià)態(tài)多變和Mn3+的Jahn-Teller效應(yīng)，導(dǎo)致該組分存在著結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和可逆性差等問題。
彭正順等指出，不同制備方法對(duì)LiMn2O4正極材料的電化學(xué)性能影響較大，以Rct為例：高溫固相法合成的LiMn2O4的Rct明顯高于溶膠凝膠法合成的，且這一現(xiàn)象在鋰離子擴(kuò)散系數(shù)上也有所體現(xiàn)。究其原因，主要是由于不同合成方法對(duì)產(chǎn)物結(jié)晶度和形貌影響較大。
3磷酸鹽體系正極材料的低溫特性
LiFePO4因絕佳的體積穩(wěn)定性和安全性，和三元材料一起，成為目前動(dòng)力電池正極材料的主體。磷酸鐵鋰低溫性能差主要是因?yàn)槠洳牧媳旧頌榻^緣體，電子導(dǎo)電率低，鋰離子擴(kuò)散性差，低溫下導(dǎo)電性差，使得電池內(nèi)阻增加，所受極化影響大，電池充放電受阻，因此低溫性能不理想。
谷亦杰等在研究低溫下LiFePO4的充放電行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，其庫倫效率從55℃的100%分別下降到0℃時(shí)的96%和–20℃時(shí)的64%；放電電壓從55℃時(shí)的3.11V遞減到–20℃時(shí)的2.62V。
Xing等利用納米碳對(duì)LiFePO4進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)，添加納米碳導(dǎo)電劑后，LiFePO4的電化學(xué)性能對(duì)溫度的敏感性降低，低溫性能得到改善；改性后LiFePO4的放電電壓從25℃時(shí)的3.40V下降到–25℃時(shí)的3.09V，降低幅度僅為9.12%；且其在–25℃時(shí)電池效率為57.3%，高于不含納米碳導(dǎo)電劑的53.4%。
近來，LiMnPO4引起了人們濃厚的興趣。研究發(fā)現(xiàn)，LiMnPO4具有高電位(4.1V)、無污染、價(jià)格低、比容量大(170mAh/g)等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于LiMnPO4比LiFePO4更低的離子電導(dǎo)率，故在實(shí)際中常常利用Fe部分取代Mn形成LiMn0.8Fe0.2PO4固溶體。
鋰離子電池負(fù)極材料的低溫特性
相對(duì)于正極材料而言，鋰離子電池負(fù)極材料的低溫惡化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，主要有以下3個(gè)原因：
低溫大倍率充放電時(shí)電池極化嚴(yán)重，負(fù)極表面金屬鋰大量沉積，且金屬鋰與電解液的反應(yīng)產(chǎn)物一般不具有導(dǎo)電性；
從熱力學(xué)角度，電解液中含有大量C–O、C–N等極性基團(tuán)，能與負(fù)極材料反應(yīng)，所形成的SEI膜更易受低溫影響；
碳負(fù)極在低溫下嵌鋰?yán)щy，存在充放電不對(duì)稱性。
