影響鋰離子電池低溫性能 有哪些因素你知道嗎
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-18 17:23
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鋰離子電池具有能量密度高、自放電小、輸出電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了以手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等為代表的消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域的絕大部分市場(chǎng)份額。目前，鋰離子電池在電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用也呈現(xiàn)出幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。
隨著鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)及軍工領(lǐng)域應(yīng)用的迅速發(fā)展，其低溫性能不能適應(yīng)特殊低溫天氣或極端環(huán)境的缺點(diǎn)也愈發(fā)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(huì)有明顯的下降，同時(shí)其在低于－10℃的環(huán)境下幾乎不可充電，這嚴(yán)重制約著鋰離子電池的應(yīng)用。
鋰離子電池低溫性能影響因素
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)：
1.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％。
2.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。
3.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。
4.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。
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。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(huì)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(jī)理也可以分為三類：內(nèi)阻和極化增加、正負(fù)極活性物質(zhì)損失、Li損失，不同的外部因素對(duì)這三者的影響也各不相同。
例如LiFePO4材料的電池一般來(lái)說(shuō)具有非常好的循環(huán)性能，但是美國(guó)德州大學(xué)阿靈頓分校的Derek N. Wong等研究發(fā)現(xiàn)使用條件對(duì)其循環(huán)壽命有著重要的影響，當(dāng)Derek N. Wong分別對(duì)26650型號(hào)的LiFePO4電池進(jìn)行15C脈沖放電和15C連續(xù)放電，兩種放電制度對(duì)于LiFePO4電池具有完全不同的影響。
15C脈沖放電的磷酸鐵鋰電池容量衰降非常快，40次后就無(wú)法進(jìn)行15C放電，但是仍然能夠進(jìn)行1C放電，1C放電的衰降速率為6%/20次。而15C連續(xù)放電電池容量衰降較慢，60次以后仍然能夠進(jìn)行15C放電，但是1C倍率的衰降速率要快于15C脈沖放電，達(dá)到14%/20次。
機(jī)理研究顯示，15C脈沖放電的電池在負(fù)極的SEI膜中含有更多的LiF，而LiF對(duì)鋰離子擴(kuò)散的阻礙更大，使得電池的Li+擴(kuò)散阻抗和電荷交換阻抗迅速增加，從而使得電池在充放電過(guò)程中極化電壓過(guò)大，從而導(dǎo)致LiFePO4大電流放電能力迅速下降。
