磷酸鐵鋰電池低溫性能受什么因素影響?

來(lái)源：存能電氣  日期：2018-12-29 13:52  瀏覽量：次

　　磷酸鐵鋰電池低溫性能受什么因素影響?如何解決磷酸鐵鋰電池低溫性能差的問(wèn)題?據(jù)小編所知，磷酸鐵鋰電池的低溫特性是由其材料特性決定的，很難改變。最好辦法就是盡量不要在低溫環(huán)境下使用鋰電池，或采取必要保溫措施，可大大提高其使用特性。本文存能電氣小編就來(lái)和大家聊聊影響磷酸鐵鋰電池低溫性能的因素有哪些。

　　磷酸鐵鋰電池低溫性能受什么因素影響?

　　⒈正極結(jié)構(gòu)

　　正極材料的三維結(jié)構(gòu)制約著磷酸鐵鋰電池的擴(kuò)散速率，低溫下影響尤其明顯。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。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%。

　　⒉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。

　　⒊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。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)散速率降低是影響磷酸鐵鋰電池低溫性能的重要原因。

　　⒋SEI膜

　　低溫環(huán)境下，磷酸鐵鋰電池負(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。

　　5.生產(chǎn)環(huán)境

　　磷酸鐵鋰電池做為一個(gè)化工原料眾多、工藝繁雜的高科技產(chǎn)品，其生產(chǎn)環(huán)境對(duì)溫度、濕度、粉塵等都有很高的要求，如果沒(méi)有控制到位，電池品質(zhì)將出現(xiàn)波動(dòng)。

　　總結(jié)：目前多因素影響著磷酸鐵鋰電池的低溫性能，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)汽車領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域及極端環(huán)境中的應(yīng)用，開發(fā)低溫性能優(yōu)異的鋰電池是市場(chǎng)的迫切需求。

　　磷酸鐵鋰電池低溫性能怎樣?

　　鋰電池在低溫環(huán)境下使用受到限制，除了因?yàn)榉烹娙萘繒?huì)嚴(yán)重衰退外，低溫下也不能對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。在低溫充電時(shí)，電池石墨電極上的鋰離子的嵌入和鍍鋰反應(yīng)是同時(shí)存在的且相互競(jìng)爭(zhēng)。低溫條件下鋰離子在石墨中的擴(kuò)散被抑制，電解液的導(dǎo)電率下降，從而導(dǎo)致嵌入速率降低而在石墨表面上會(huì)使鍍鋰反應(yīng)更容易產(chǎn)生。

　　研究表明，一塊容量為3500mAh的電池，如果在-10℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過(guò)不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至500mAh，基本就報(bào)廢了。也就是說(shuō)，在-10℃的工作環(huán)境中，如果一輛電動(dòng)汽車每天充放電一次，那么三個(gè)月后電池就得報(bào)廢換新的了。

　　如何解決磷酸鐵鋰電池低溫性能差問(wèn)題?

　　LFP-NCO------納米金屬氧化物共晶體化磷酸鐵鋰化合物是一種借由將含有鋰、鐵、磷與金屬或金屬化合物等前驅(qū)物所形成的單一不可分割橄欖石化合物，并且是一種非攙雜也非包覆型態(tài)的材料。

　　總的來(lái)說(shuō)LFP目前途徑有3種：

　　1.細(xì)化顆粒

　　2.碳包覆

　　3.金屬晶格摻雜

　　存能電氣小編整個(gè)思路是從正極、負(fù)極、電液、粘結(jié)劑四塊提高磷酸鐵鋰電池的低溫性能。

　　●正極方面，現(xiàn)在都是納米化，它的粒徑、電阻力，AB平面軸長(zhǎng)大小三方面會(huì)影響到整個(gè)電池低溫的特性。通過(guò)三種工藝制備了磷酸鐵鋰，從我們整個(gè)制備的條件來(lái)講，不同的磷酸鐵鋰工藝納米化跟包覆，我們從AB面的軸長(zhǎng)來(lái)看，AB面軸長(zhǎng)的增大使得鋰離子遷移通道會(huì)變大，將有利于提高電池倍率的性能。不同工藝對(duì)正極也有不同的影響，100到200納米粒徑磷酸鐵鋰做出的電池低溫放電特性比較好，在-20度可以釋放94%，也就是粒徑的納米化縮短了遷移的路徑，也提高了低溫放電的性能，因?yàn)榱姿徼F鋰放電主要是跟正極有關(guān)。

　　●從負(fù)極方面考慮充電特性，鋰電池低溫充電主要是負(fù)極影響，包括粒徑大小還有負(fù)極的間距變化，選取了三種不同的人造石墨作為負(fù)極，來(lái)研究不同的層間距和粒徑對(duì)低溫特性的影響。從三種材料來(lái)看，層間距大的顆粒石墨，從阻抗來(lái)講，本體阻抗和離子遷移阻抗比較小一點(diǎn)。

　　●充電方面，在冬天低溫下放電問(wèn)題不大，主要是低溫充電。因?yàn)樵跈M流比方面，1C或者0.5C的橫流比非常關(guān)鍵，到恒壓需要非常長(zhǎng)時(shí)間，通過(guò)改進(jìn)三種不同石墨的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其中一種在-20度充電恒流比有比較大的改善，從40%提高到70%多，層間距的增大，還有粒徑的減小。

　　●電解液這一塊，在-20度，-30度下電解液結(jié)冰，黏度增大，形成性能惡化。電解液從三方面：溶劑，鋰鹽，添加劑。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)溶劑對(duì)磷酸鐵鋰電池低溫影響從70%多影響到90%多，有十幾個(gè)點(diǎn)的影響;其次，不同鋰鹽對(duì)低溫的充放電的特性有一定的影響。我們固定了溶劑體系和鋰鹽基礎(chǔ)上，低溫添加劑可以使放電容量從85%提高到90%，也就是說(shuō)，整個(gè)電解液體系中，溶劑、鋰鹽還有添加劑都對(duì)我們的動(dòng)力電池低溫特性有一定的影響，包括其他的材料體系一樣適用。

　　●粘結(jié)劑方面，饒睦敏表示有三種，兩種點(diǎn)狀，一種線狀的。-20度充放電情況下，兩種點(diǎn)狀大概做了70多到80的循環(huán)以后，整個(gè)極片是有粘結(jié)劑失效的現(xiàn)狀，而采用線狀的粘結(jié)劑不會(huì)存在這個(gè)問(wèn)題。在整個(gè)體系上，從正極、負(fù)極、電解液到粘結(jié)劑的改善以后，我們?cè)诹姿徼F鋰電池單體這塊做得比較好的效果，一個(gè)是充電特性，-20、-30、-40度溫度下0.5C充電恒流比可以達(dá)到62.9%，-20度溫度下放電可以放出94%，這是倍率跟循環(huán)的一些特性。

　　磷酸鐵鋰電池的缺點(diǎn)有哪些?

　　①振實(shí)密度較低。一般只能達(dá)到0.8-1.3，低的振實(shí)密度可以說(shuō)是磷酸鐵鋰的很大缺點(diǎn)。所有磷酸鐵鋰正極材料決定了它在小型電池如手機(jī)電池等沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，所以其使用范圍受到一定程度的限制。

　　②磷酸鐵鋰電池低溫性能差。盡管人們通過(guò)各種方法(例如鋰位、鐵位、甚至磷酸位的摻雜改善離子和電子導(dǎo)電性能，通過(guò)改善一次或二次顆粒的粒徑及形貌控制有效反應(yīng)面積、通過(guò)加入額外的導(dǎo)電劑增加電子導(dǎo)電性等)改善磷酸鐵鋰電池的低溫性能，但是磷酸鐵鋰材料的固有特點(diǎn)，決定其低溫性能劣于錳酸鋰等其他正極材料。

　　③電池存在一致性問(wèn)題。單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過(guò)2000次，但電池組的壽命會(huì)大打折扣，有可能是500次。在現(xiàn)有的條件下，由于種種原因，制作出來(lái)的電池一致性不佳，進(jìn)而影響到電池的使用性能和整體壽命。

　　低溫條件下，磷酸鐵鋰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。

　　面對(duì)低溫下磷酸鐵鋰電池使用受限的局面，技術(shù)人員找到的應(yīng)對(duì)策略是充電預(yù)熱，雖然是權(quán)宜之計(jì)，但對(duì)提高鋰電池的放電能力和長(zhǎng)期壽命都有明顯效果。