鋰電池放電過程

 

在充電過程中，由于電池外加端電壓的作用，正極集流體附近的電子在電場驅(qū)動下向負極運動，到達負極后，與負極材料中的鋰離子結(jié)合，形成局部電中性存放在石墨間隙中；消耗了部分鋰離子的負極表面，鋰離子濃度變低，正極與負極之間形成離子濃度差。在濃差驅(qū)動下，正極材料中的鋰離子從材料內(nèi)部向正極表面運動，并沿著電解質(zhì)，穿過隔膜，來到負極表面；進一步在電勢驅(qū)動作用下，穿過SEI膜，向負極材料深處擴散，與從外電路過來的電子相遇，局部顯示電中性滯留在負極材料內(nèi)部。放電過程則剛好相反，包含負載的回路閉合后，放電過程開始于電子從負極集流體流出，通過外電路到達正極；終于鋰離子嵌入正極材料，與外電路過來的電子結(jié)合。

 

負極石墨為層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子的嵌入和脫出的方式，在不同類型的鋰離子中沒有太大差異。不同正極材料，其晶格結(jié)構(gòu)存在不同，充放電過程中的鋰離子擴散進出，過程略有不同。

 

放電過程中，鋰離子想要從負極來到正極，需要在一些動力的驅(qū)動下克服一些阻力才能實現(xiàn)。這些阻力包括，從負極結(jié)構(gòu)中擴散出來要克服負極SEI膜阻抗；沿著電解液擴散需要克服電解液傳導阻抗；穿越正負極之間的隔膜，需要克服隔膜阻抗；從電解液進入正極，需要克服正極SEI膜（這個膜的結(jié)構(gòu)不是特別明顯）和材料內(nèi)部擴散阻抗。

 

那么鋰離子克服這些阻力的動力哪里來？一方面來自于正負極材料電勢差，正極材料與負極材料的勢能差越大，電池表現(xiàn)出來的開路電壓越高，電池存儲的能量也就越多，這個屬性也是電池能夠放電的基本動力；另一方面，電解液中不同位置離子濃度的不同，驅(qū)動離子從高濃度位置向低濃度位置運動，所謂濃差驅(qū)動。

 

這樣看來，只要我們明確，低溫是怎樣影響這些阻力和動力的，就能理解低溫對鋰電池性能的影響是怎么起作用的。

 

正極材料活性物質(zhì)，溫度越低，其活性越差，對外表現(xiàn)出電勢降低；正極鋰離子在材料內(nèi)部通道中的擴散越困難，表現(xiàn)出阻抗增加；負極表面的SEI膜，是電解液與負極材料初次接觸時候形成的一層鈍化膜，它的存在保護了負極材料不會被電解液進一步腐蝕，同時又能允許鋰離子進入和脫出。當溫度降低，鋰離子通過SEI膜也變得困難，表現(xiàn)為阻抗增加；電解液的活性，在低溫下同樣變差，離子在電解液中的擴散能力降低。帶電離子的移動速率，宏觀上的表現(xiàn)就是電流值的大小?；叵胍幌码娏鞯亩x：單位時間流過導體任意截面的電量。聯(lián)系到電荷移動速率與電流的關(guān)系，低溫使得電解液通過電流的能力降低了。而對電荷移動的阻礙，則表現(xiàn)為回路阻抗。溫度下降，電解液阻抗上升。

 

整體上看，在鋰電池這個體系里，電荷移動的不順暢，既表現(xiàn)為電勢降低，同時又表現(xiàn)為阻抗升高。電勢或者說電池的開路電壓，在一定溫度下，與電池內(nèi)部容納的能量有明確的對應(yīng)關(guān)系，那么電勢下降顯示了電池內(nèi)電能的減少。

 

上述解釋似乎顯得過于復(fù)雜，那么簡單總結(jié)下為何低溫下，電動汽車的續(xù)航里程少了？宏觀上，因為低溫使得鋰電池的可用容量變小了，同時內(nèi)阻變大了；微觀上，低溫一方面降低了鋰電池活性物質(zhì)放電的勢能，另一方面提高了系統(tǒng)放電阻力?？捎秒娏繙p小，行駛里程必然會減少，而電池內(nèi)阻的增加，又將一部分可用的電能直接轉(zhuǎn)化成歐姆熱浪費掉了。兩方面因素綜合到一起，續(xù)駛里程必然明顯減小。