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低温环境下对锂离子电池会造成什么影响

  钜大LARGE   2021-08-02 次浏览

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。


专家观点一:电解液对锂离子电池低温性能的影响最大,电解液的成分及物化性能对电池低温性能有重要影响。电池低温下循环面对的问题是:电解液粘度会变大,离子传导速度变慢,造成外电路电子迁移速度不匹配,因此电池出现严重极化,充放电容量出现急剧降低。尤其当低温充电时,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。


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,且RSEI为锂离子电池在低温环境下的重要阻抗。


专家二:限制锂离子电池低温性能的重要因素是低温下急剧新增的Li+扩散阻抗,而并非SEI膜。


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。


谢晓华等以LiCoO2/MCMB为研究对象,测试了其低温充放电特性。


结果显示,随着温度的降低,其放电平台由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃);其电池总容量也由78.98mAh(0℃)锐减到68.55mAh(–30℃)。


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。


彭正顺等指出,不同制备方法对LiMn2O4正极材料的电化学性能影响较大,以Rct为例:高温固相法合成的LiMn2O4的Rct明显高于溶胶凝胶法合成的,且这一现象在锂离子扩散系数上也有所体现。究其原因,重要是由于不同合成方法对产物结晶度和形貌影响较大。


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,成为目前动力锂电池正极材料的主体。磷酸铁锂低温性能差重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,使得电池内阻新增,所受极化影响大,电池充放电受阻,因此低温性能不理想。


谷亦杰等在研究低温下LiFePO4的充放电行为时发现,其库伦效率从55℃的100%分别下降到0℃时的96%和–20℃时的64%;放电电压从55℃时的3.11V递减到–20℃时的2.62V。


Xing等利用纳米碳对LiFePO4进行改性,发现,添加纳米碳导电剂后,LiFePO4的电化学性能对温度的敏感性降低,低温性能得到改善;改性后LiFePO4的放电电压从25℃时的3.40V下降到–25℃时的3.09V,降低幅度仅为9.12%;且其在–25℃时电池效率为57.3%,高于不含纳米碳导电剂的53.4%。


近来,LiMnPO4引起了人们浓厚的兴趣。研究发现,LiMnPO4具有高电位(4.1V)、无污染、价格低、比容量大(170mAh/g)等优点。然而,由于LiMnPO4比LiFePO4更低的离子电导率,故在实际中常常利用Fe部分取代Mn形成LiMn0.8Fe0.2PO4固溶体。

 
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