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为什么在冬天锂电池容量会变低?

发布时间:2019-06-06 10:14:21编辑:来源:贝投体育8059

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锂离子电池自从进入市场以来,以其寿命长、比容量大、无记忆效应等优点,获得了广泛的应用。锂离子电池低温使用存在容量低、衰减严重、循环倍率性能差、析锂现象明显、脱嵌锂不平衡等问题。然而,随着应用领域不断拓展,锂离子电池的低温性能低劣带来的制约愈加明显。

据报道,在-20℃时锂离子电池放电容量只有室温时的31.5%左右。传统锂离子电池工作温度在-20~+55℃之间。但是在航空航天、军工、电动车等领域,要求电池能在-40℃正常工作。因此,改善锂离子电池低温性质具有重大意义。

制约锂离子电池低温性能的因素

(1)低温环境下,电解液的黏度增大,甚至部分凝固,导致锂离子电池的导电率下降。
(2)低温环境下,电解液与负极、隔膜之间的相容性变差。
(3)低温环境下,锂离子电池负极析出锂严重,并且锂与电解液反应,其产物沉积导致固态电解质界面(SEI)厚度增加。
(4)低温环境下,锂离子电池在活性物质内部扩散系统降低,电荷转移阻抗(Rct)显著增大。

电解液的低温性能与电解液自身电导率的大小关系密切,电导率大电解液的传输离子快,低温下可以发挥出更多的容量。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。

锂离子电池正极材料的低温特性

(1)层状结构正极材料的低温特性:   层状结构,既拥有一维锂离子扩散通道所不可比拟的倍率性能,又拥有三维通道的结构稳定性,是最早商用的锂离子电池正极材料。其代表性物质有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。

(2)尖晶石结构正极材料的低温特性:  尖晶石结构LiMn2O4正极材料,由于不含Co元素,故而具有成本低、无毒性的优势。然而,Mn价态多变和Mn3+的Jahn-Teller效应,导致该组分存在着结构不稳定和可逆性差等问题。

(3)磷酸盐体系正极材料的低温特性:  LiFePO4因绝佳的体积稳定性和安全性,和三元材料一起,成为目
动力电池正极材料的主体。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。

锂离子电池负极材料的低温特性

相对于正极材料而言,锂离子电池负极材料的低温恶化现象更为严重,主要有以下3个原因:

(1)低温大倍率充放电时电池极化严重,负极表面金属锂大量沉积,且金属锂与电解液的反应产物一般不具有导电性;
(2)从热力学角度,电解液中含有大量C–O、C–N等极性基团,能与负极材料反应,所形成的SEI膜更易受低温影响;
(3)碳负极在低温下嵌锂困难,存在充放电不对称性。

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低温电解液的研究

除电池组成本身外,在实际操作中的工艺因素,也会对电池性能产生很大影响。

(1)制备工艺,就容量保持率而言,电极荷载越小,涂覆层越薄,其低温性能越好。
(2)充放电状态,放电深度较大时,会引起较大的容量损失,且降低循环寿命。
(3)其它因素,电极的表面积、孔径、电极密度、电极与电解液的润湿性及隔膜等,均影响着锂离子电池的低温性能。


总结

为保证锂离子电池的低温性能,需要做好以下几点:

(1)形成薄而致密的SEI膜;
(2)保证Li+在活性物质中具有较大的扩散系数;
(3)电解液在低温下具有高的离子电导率。


此外,研究中发现另一类锂离子电池——全固态锂离子电池。相较常规的锂离子电池而言,全固态薄膜锂离子电池,有望彻底解决电池在低温下使用的容量衰减问题和循环安全问题。


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