磷酸鐵鋰電池低溫性能受什么因素影響?

來源：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?

　?、闭龢O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。

　?、碨EI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，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。

　　總的來說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。通過三種工藝制備了磷酸鐵鋰，從我們整個(gè)制備的條件來講，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。從三種材料來看，層間距大的顆粒石墨，從阻抗來講，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，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電池存在一致性問題。單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過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。