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?

　　⒈正極結構

　　正極材料的三維結構制約著磷酸鐵鋰電池的擴散速率，低溫下影響尤其明顯。不同正極材料具有不同的三維結構，目前用作電動汽車動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℃的放電容量只能達到常溫容量的67.38%，而鎳鈷錳三元電池能夠達到70.1%。

　　⒉高熔點溶劑

　　由于電解液混合溶劑中存在高熔點溶劑，鋰電池電解液在低溫環境下黏度增大，當溫度過低時會發生電解液凝固現象，導致鋰離子在電解液中傳輸速率降低。

　　⒊鋰離子擴散速率

　　低溫環境下鋰離子在石墨負極中的擴散速率降低。低溫環境下鋰離子電池的電荷遷移阻抗增大，導致鋰離子在石墨負極中的擴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

　　低溫環境下，磷酸鐵鋰電池負極的SEI膜增厚，SEI膜阻抗增大導致鋰離子在SEI膜中的傳導速率降低，最終鋰離子電池在低溫環境下充放電形成極化降低充放電效率。

　　5.生產環境

　　磷酸鐵鋰電池做為一個化工原料眾多、工藝繁雜的高科技產品，其生產環境對溫度、濕度、粉塵等都有很高的要求，如果沒有控制到位，電池品質將出現波動。

　　總結：目前多因素影響著磷酸鐵鋰電池的低溫性能，如正極的結構、鋰離子在電池各部分的遷移速率、SEI膜的厚度及化學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汽車領域、軍工領域及極端環境中的應用，開發低溫性能優異的鋰電池是市場的迫切需求。

　　磷酸鐵鋰電池低溫性能怎樣?

　　鋰電池在低溫環境下使用受到限制，除了因為放電容量會嚴重衰退外，低溫下也不能對鋰電池進行充電。在低溫充電時，電池石墨電極上的鋰離子的嵌入和鍍鋰反應是同時存在的且相互競爭。低溫條件下鋰離子在石墨中的擴散被抑制，電解液的導電率下降，從而導致嵌入速率降低而在石墨表面上會使鍍鋰反應更容易產生。

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

　　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的材料。

　　總的來說LFP目前途徑有3種：

　　1.細化顆粒

　　2.碳包覆

　　3.金屬晶格摻雜

　　存能電氣小編整個思路是從正極、負極、電液、粘結劑四塊提高磷酸鐵鋰電池的低溫性能。

　　●正極方面，現在都是納米化，它的粒徑、電阻力，AB平面軸長大小三方面會影響到整個電池低溫的特性。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面的軸長來看，AB面軸長的增大使得鋰離子遷移通道會變大，將有利于提高電池倍率的性能。不同工藝對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，因為磷酸鐵鋰放電主要是跟正極有關。

　　●從負極方面考慮充電特性，鋰電池低溫充電主要是負極影響，包括粒徑大小還有負極的間距變化，選取了三種不同的人造石墨作為負極，來研究不同的層間距和粒徑對低溫特性的影響。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。

　　●充電方面，在冬天低溫下放電問題不大，主要是低溫充電。因為在橫流比方面，1C或者0.5C的橫流比非常關鍵，到恒壓需要非常長時間，通過改進三種不同石墨的對比，發現其中一種在-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。通過實驗我們發現溶劑對磷酸鐵鋰電池低溫影響從70%多影響到90%多，有十幾個點的影響;其次，不同鋰鹽對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，整個電解液體系中，溶劑、鋰鹽還有添加劑都對我們的動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。

　　●粘結劑方面，饒睦敏表示有三種，兩種點狀，一種線狀的。-20度充放電情況下，兩種點狀大概做了70多到80的循環以后，整個極片是有粘結劑失效的現狀，而采用線狀的粘結劑不會存在這個問題。在整個體系上，從正極、負極、電解液到粘結劑的改善以后，我們在磷酸鐵鋰電池單體這塊做得比較好的效果，一個是充電特性，-20、-30、-40度溫度下0.5C充電恒流比可以達到62.9%，-20度溫度下放電可以放出94%，這是倍率跟循環的一些特性。

　　磷酸鐵鋰電池的缺點有哪些?

　　①振實密度較低。一般只能達到0.8-1.3，低的振實密度可以說是磷酸鐵鋰的很大缺點。所有磷酸鐵鋰正極材料決定了它在小型電池如手機電池等沒有優勢，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面積、通過加入額外的導電劑增加電子導電性等)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，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，但電池組的壽命會大打折扣，有可能是500次。在現有的條件下，由于種種原因，制作出來的電池一致性不佳，進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有明顯的下降，同時其在低于-10℃的環境下幾乎不可充電，這嚴重制約著鋰離子電池的應用。

　　面對低溫下磷酸鐵鋰電池使用受限的局面，技術人員找到的應對策略是充電預熱，雖然是權宜之計，但對提高鋰電池的放電能力和長期壽命都有明顯效果。