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影响锂电池低温性能的关键因素分析

作者:中国储能网新闻中心 来源:OFweek锂电 发布时间:2019-08-13 浏览:
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天气越来越凉,电动车加速起来特别慢,而且续航里程也大大缩短。根据现有数据可知,在0℃以下锂离子电池的输出性能受影响,在-20℃以下的低温时电池的性能均有明显的恶化,在-40℃电池只能放出额定容量的30%甚至更低。市场上选用电动车的车主越来越多,不可避免地面临如何保养电池、如何让电动车更加持久耐用的问题。电动车的续航归根结底是锂电池的问题,电池内部哪些材料对电池低温性能有关键性影响呢?

一、正极材料

正极材料作为动力来源是影响锂电池低温性能的主要参数之一,目前市场上主流的材料体系是三元材料和磷酸铁锂材料,两种材料相比三元的低温性能更佳。磷酸铁锂低温性能差主要是因为其材料本身为绝缘体,电子导电率低,锂离子扩散性差,低温下导电性差,使得电池内阻增加,所受极化影响大,电池充放电受阻,因此低温性能不理想。低温下锂离子在正负极间的嵌入/脱出受材料影响大,三元材料具有层状结构,材料扩散系数高,更利于锂离子的嵌入/脱出。

材料的结构、粒径及材料的类型对电池的低温性能影响较大。正极材料颗粒度小、比表面积大有利于低温性能的发挥,颗粒度小则相应的锂离子扩散路径短,所受的极化小,同时电解液也容易附着在原始颗粒表层,减少浓差极化;粒度大则锂离子扩散的路径长,在电池工作放电时锂离子从负极到正极的扩散来不及补偿从负极流入正极的电子,从而造成正极中电子过量,使得电极电位负移,造成放电电压平台变低。

除了材料本身性质之外,正极浆料中导电剂的分散情况、粘接性能以及极片面密度、活物质密度等参数也对低温性能有重要影响。导电剂分散均匀,没有团聚,可以提高锂离子电池的电导率,减小锂离子电池的欧姆内阻,有利于提高电池的充放电性能。面密度越大,离子扩散距离和所受阻力也会增大,电极表面与电解液接触的固液界面到集流体的距离增加,在锂离子脱嵌时为保持电极电荷平衡同时迁移的电子在两者间传递的阻力也增大,使得电极电位与平衡电位的偏差程度更大,电池极化增大,其低温性能自然也不甚好。

二、电解液

电解液的材质及物化参数对电池低温性能有重要影响。电池低温下循环面临的问题是,电解液粘度增大,离子传导速度变慢,与外电路电子迁移速度不匹配,电池出现严重极化,充放电容量出现急剧降低。尤其是在低温充电的情况下,锂离子很容易在负极表面形成锂枝晶,导致电池失效。

电解液的低温性能与电解液自身电导率的大小密切相关,电导率大的传输离子快,低温下能发挥出更多的容量。电解液中的锂盐解离的越多,迁移数目就越多,电导率就越高。电导率高,离子传导速率越快,所受极化就越小,在低温下电池的性能表现越好。因此较高的电导率是实现锂离子蓄电池良好低温性能的必要条件。  

电解液的电导率与电解液的组成成分有关,减小溶剂的粘度是提高电解液电导率的途径之一。溶剂低温下溶剂良好的流动性是离子运输的保障,而低温下电解液在负极所形成的固体电解质膜也是影响锂离子传导的关键。因此,提高电解液低温下的电导率可以从以下两点着手:1.溶液低凝固点,2.低内阻的SEI 膜。

三、隔膜

隔膜对锂电池低温性能的影响主要考虑其不同温度下电阻大小对电池性能的影响。孔径的大小对电池性能有直接的影响,孔径太小会增大电池内阻,孔径太大则容易使正负极直接接触或易被锂枝晶刺穿造成电池短路。合适的孔隙率对隔膜及电池的性能发挥尤为重要:隔膜的孔隙率若太小,隔膜透气性能差,电解液吸附能力弱,电导率低。孔隙率太高,虽然透气性能和电解液吸附能力明显改善,但对应的收缩率和抗穿刺能力变差。

除了以上列举的材料之外,影响锂电池低温性能的因素还有电池生产工艺、化成制度、老化制度等。从降低内阻,减少锂电池低温极化方面着手可以提高锂电池的低温循环性能。同时在此提醒广大车友,冬天低温充电不可取,有条件的在自家车库内充电,不常使用的可以充一半电放置,不要过充过放电池。

关键字:锂电池

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