鋰離子電池具有工作電壓高, 比能大 (可達165Wh/kg,是鎳氫電池的3倍) , 體積小, 質量輕, 迴圈壽命長, 自放電低, 無記憶效應, 無汙染等眾多優點. 在新能源行業磷酸鐵鋰電池被看好, 電池迴圈壽命可達到3000次左右, 放電穩定, 被廣泛應用在動力電池和儲能等領域. 但其推廣的速度及應用領域廣度, 深度卻不盡如意. 阻礙其快速推廣的因素除了價格, 電池材料自身引起的批次一致性等因素外, 其溫度性能也是重要因素. 此文考察了溫度對磷酸鐵鋰電池性能的影響, 同時考察了電池組在高低溫情況下的充放電情況.
一, 單體 (模組) 常溫迴圈匯總
常溫測試電池的迴圈壽命可以看出, 磷酸鐵鋰電池的長壽命優勢, 目前做到3314個迴圈, 容量保持率依然在90%, 而達到80%的壽命終止可能要做到4000次左右.
1, 單體迴圈
目前已完成: 3314cyc, 容量保持率為90%.
受電芯的加工工藝和模組的成組工藝影響, 電池在PACK完成後其中的不一致性已經形成, 工藝越精湛成組的內阻越小, 電芯間的差異性越小. 以下模組的迴圈壽命是目前大部分磷酸鐵鋰能做到的基本數據, 這樣在使用過程中就需要BMS對電池組定期進行均衡, 減小電芯間差異, 延長使用壽命.
2, 模組迴圈
目前已完成: 2834cyc, 容量保持率為67.26%.
二, 單體高溫迴圈匯總
高溫工況下加速電池的老化壽命.
1, 單體充放電曲線
2, 高溫迴圈
高溫迴圈完成1100cyc, 容量保持率為73.8%.
三, 低溫對充放電性能影響
電池在0~ -20℃溫度下, 放電容量分別相當於25℃溫度下放電容量的88.05% , 65.52% 和38.88% ; 放電平均電壓依次為3.134, 2.963V和2.788V, 一20℃放電平均電壓比25℃時降低了0.431V. 從上述分析可知, 隨著溫度的降低, 鋰離子電池的放電平均電壓和放電容量均有所降低, 尤其當溫度為-20℃時, 電池的放電容量和放電平均電壓下降較快.
圖1磷酸鐵鋰電池不同溫度下放電曲線
從電化學角度分析, 溶液電阻, SEI膜電阻在整個溫度範圍內變化不大, 對電池低溫性能的影響較小; 電荷傳遞電阻隨溫度的降低而顯著增加, 且在整個溫度範圍內隨溫度的變化都明顯大於溶液電阻和SEI膜電阻. 這是因為隨著溫度的降低, 電解液的離子電導率隨之降低, SEI膜電阻和電化學反應電阻隨之增大, 導致低溫下歐姆極化, 濃差極化和電化學極化均增大, 在電池的放電曲線上就表現為平均電壓和放電容量均隨著溫度降低而降低.
圖2 電池低溫下充放電5次後
從圖2可知, 在-20℃下迴圈5次再在25℃下迴圈, 電池的容量與放電平台均有所降低. 這是因為隨著溫度的降低, 電解液的離子導電率降低, 低溫充電過程中的歐姆極化, 濃差極化和電化學極化加大, 導致金屬鋰沉積, 使電解液分解, 最終導致電極表面SEI膜增厚, SEI膜電阻增加, 在放電曲線上表現為放電平台和放電容量降低.
1, 低溫對迴圈性能影響
圖3鋰離子電池常溫下0.5C倍率迴圈曲線
圖4鋰離子電池-10℃溫度下0.5C倍率迴圈曲線
從圖中可以看出, 電池在-10℃的環境下容量衰減較快, 100次迴圈後容量僅剩59mAh/g, 容量衰減47.8%; 將在低溫下放過電的電池在常溫下進行充放電測試, 考察期容量恢複性能. 其容量恢複至70.8mAh/g, 容量損失達68%. 由此可見, 電池的低溫迴圈對電池容量的恢複影響較大.
2, 低溫對安全性能影響
鋰離子電池充電是鋰離子從正極脫出經過電解液遷移嵌入負極材料的過程, 鋰離子向負極聚合, 由六個碳原子俘獲一個鋰離子. 在低溫下, 化學反應活性降低, 同時鋰離子遷移變慢, 在負極表面的鋰離子還沒有嵌入到負極中已經先還原成金屬鋰, 並在負極表面沉澱析出形成鋰枝晶, 這容易刺穿隔膜造成電池內短路, 進而損壞電池, 造成安全事故.
可以由以上數據得出, 磷酸鐵鋰電池受溫度影響很大, 在以動力電池應用領域和溫度影響較大的應用環境, 需要對電池進行熱管理 (風冷, 液冷等) 才能提高電池的使用效率, 延長電池系統使用壽命.
