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發(fā)布時(shí)間:2019-06-06 10:14:21編輯:來(lái)源:本站
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鋰離子電池自從進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái),以其壽命長(zhǎng)、比容量大、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),獲得了廣泛的應(yīng)用。鋰離子電池低溫使用存在容量低、衰減嚴(yán)重、循環(huán)倍率性能差、析鋰現(xiàn)象明顯、脫嵌鋰不平衡等問(wèn)題。然而,隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,鋰離子電池的低溫性能低劣帶來(lái)的制約愈加明顯。
據(jù)報(bào)道,在-20℃時(shí)鋰離子電池放電容量只有室溫時(shí)的31.5%左右。傳統(tǒng)鋰離子電池工作溫度在-20~+55℃之間。但是在航空航天、軍工、電動(dòng)車等領(lǐng)域,要求電池能在-40℃正常工作。因此,改善鋰離子電池低溫性質(zhì)具有重大意義。
制約鋰離子電池低溫性能的因素
(1)低溫環(huán)境下,電解液的黏度增大,甚至部分凝固,導(dǎo)致鋰離子電池的導(dǎo)電率下降。
(2)低溫環(huán)境下,電解液與負(fù)極、隔膜之間的相容性變差。
(3)低溫環(huán)境下,鋰離子電池負(fù)極析出鋰嚴(yán)重,并且鋰與電解液反應(yīng),其產(chǎn)物沉積導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度增加。
(4)低溫環(huán)境下,鋰離子電池在活性物質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散系統(tǒng)降低,電荷轉(zhuǎn)移阻抗(Rct)顯著增大。
電解液的低溫性能與電解液自身電導(dǎo)率的大小關(guān)系密切,電導(dǎo)率大電解液的傳輸離子快,低溫下可以發(fā)揮出更多的容量。電解液中的鋰鹽解離的越多,遷移數(shù)目就越多,電導(dǎo)率就越高。電導(dǎo)率高,離子傳導(dǎo)速率越快,所受極化就越小,在低溫下電池的性能表現(xiàn)越好。因此較高的電導(dǎo)率是實(shí)現(xiàn)鋰離子蓄電池良好低溫性能的必要條件。
鋰離子電池正極材料的低溫特性
(1)層狀結(jié)構(gòu)正極材料的低溫特性: 層狀結(jié)構(gòu),既擁有一維鋰離子擴(kuò)散通道所不可比擬的倍率性能,又擁有三維通道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,是最早商用的鋰離子電池正極材料。其代表性物質(zhì)有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。
(2)尖晶石結(jié)構(gòu)正極材料的低溫特性: 尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn2O4正極材料,由于不含Co元素,故而具有成本低、無(wú)毒性的優(yōu)勢(shì)。然而,Mn價(jià)態(tài)多變和Mn3+的Jahn-Teller效應(yīng),導(dǎo)致該組分存在著結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和可逆性差等問(wèn)題。
(3)磷酸鹽體系正極材料的低溫特性: LiFePO4因絕佳的體積穩(wěn)定性和安全性,和三元材料一起,成為目前動(dòng)力電池正極材料的主體。磷酸鐵鋰低溫性能差主要是因?yàn)槠洳牧媳旧頌榻^緣體,電子導(dǎo)電率低,鋰離子擴(kuò)散性差,低溫下導(dǎo)電性差,使得電池內(nèi)阻增加,所受極化影響大,電池充放電受阻,因此低溫性能不理想。
鋰離子電池負(fù)極材料的低溫特性
相對(duì)于正極材料而言,鋰離子電池負(fù)極材料的低溫惡化現(xiàn)象更為嚴(yán)重,主要有以下3個(gè)原因:
(1)低溫大倍率充放電時(shí)電池極化嚴(yán)重,負(fù)極表面金屬鋰大量沉積,且金屬鋰與電解液的反應(yīng)產(chǎn)物一般不具有導(dǎo)電性;
(2)從熱力學(xué)角度,電解液中含有大量C–O、C–N等極性基團(tuán),能與負(fù)極材料反應(yīng),所形成的SEI膜更易受低溫影響;
(3)碳負(fù)極在低溫下嵌鋰?yán)щy,存在充放電不對(duì)稱性。
低溫電解液的研究
除電池組成本身外,在實(shí)際操作中的工藝因素,也會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生很大影響。
(1)制備工藝,就容量保持率而言,電極荷載越小,涂覆層越薄,其低溫性能越好。
(2)充放電狀態(tài),放電深度較大時(shí),會(huì)引起較大的容量損失,且降低循環(huán)壽命。
(3)其它因素,電極的表面積、孔徑、電極密度、電極與電解液的潤(rùn)濕性及隔膜等,均影響著鋰離子電池的低溫性能。
總結(jié)
為保證鋰離子電池的低溫性能,需要做好以下幾點(diǎn):
(1)形成薄而致密的SEI膜;
(2)保證Li+在活性物質(zhì)中具有較大的擴(kuò)散系數(shù);
(3)電解液在低溫下具有高的離子電導(dǎo)率。
此外,研究中發(fā)現(xiàn)另一類鋰離子電池——全固態(tài)鋰離子電池。相較常規(guī)的鋰離子電池而言,全固態(tài)薄膜鋰離子電池,有望徹底解決電池在低溫下使用的容量衰減問(wèn)題和循環(huán)安全問(wèn)題。
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