影響鋰離子電池低溫性能的因素

鋰離子電池具有能量密度高, 自放電小, 輸出電壓高, 迴圈壽命長和無記憶效應等優點, 佔據了以手機, 筆記型電腦, 數位相機等為代表的消費類電子產品領域的絕大部分市場份額. 目前, 鋰離子電池在電動工具, 電動單車等領域的應用也呈現出幾何級數增長.

隨著鋰離子電池在電動汽車及軍工領域應用的迅速發展, 其低溫性能不能適應特殊低溫天氣或極端環境的缺點也愈發明顯. 低溫條件下, 鋰離子電池的有效放電容量和有效放電能量都會有明顯的下降, 同時其在低於-10℃的環境下幾乎不可充電, 這嚴重製約著鋰離子電池的應用.

鋰離子電池低溫性能影響因素

鋰離子電池主要由正極材料, 負極材料, 隔膜, 電解液組成. 處於低溫環境的鋰離子電池存在著放電電壓平台下降, 放電容量低, 容量衰減快, 倍率性能差等特點. 制約鋰離子電池低溫性能的因素主要有以下幾點:

正極結構

正極材料的三維結構制約著鋰離子的擴散速率, 低溫下影響尤其明顯. 鋰離子電池的正極材料包括商品化的磷酸鐵鋰, 鎳鈷錳三元材料, 錳酸鋰, 鈷酸鋰等, 也包括處於開發階段的高電壓正極材料如鎳錳酸鋰, 磷酸鐵錳鋰, 磷酸釩鋰等. 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. 吳文迪等研究了磷酸亞鐵鋰電池與鎳鈷錳三元電池在-20℃的放電性能, 發現磷酸鐵鋰電池在-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%. 杜曉莉等發現錳酸鋰電池在-20℃的放電容量可以達到常溫容量的83%.

高熔點溶劑

由於電解液混合溶劑中存在高熔點溶劑, 鋰離子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.

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. 向宇系統研究了石墨負極對鋰離子電池低溫放電性能的影響, 提出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鋰離子電池低溫性能的重要原因.

SEI膜

低溫環境下, 鋰離子電池負極的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.

目前多因素影響著鋰離子電池的低溫性能, 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離子電池是市場的迫切需求.