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低温锂电池

正负极材料和电解液对锂电池低温性能的影响

钜大LARGE  |  点击量:571次  |  2019年08月05日  

摘要
正负极材料和电解液对锂电池低温性能的影响。锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液组成。处于低温环境的锂离子电池存在着放电电压平台下降、放电容量低。

正负极材料和电解液对锂电池低温性能的影响。锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液组成。处于低温环境的锂离子电池存在着放电电压平台下降、放电容量低、容量衰减快、倍率性能差等特点。目前多因素影响着锂电池的低温性能,如正极的结构、锂离子在电池各部分的迁移速率、SEI膜的厚度及化学成分以及电解液中锂盐和溶剂的选择等。


锂电池以其高比能量及功率密度、长循环寿命、环境友好等特点在消费类电子产品、电动汽车和储能等领域得到了广泛的应用。作为新能源汽车的动力源,锂离子电池在实际应用中仍存在较多问题,如低温条件下能量密度明显降低,循环寿命也相应受到影响,这也严重限制锂离子电池的规模使用。


锂电池低温性能差的主要因素


1.低温下锂电池电解液的粘度增大,电导率降低;


2.电解液/电极界面膜阻抗和电荷转移阻抗增大;


3.锂离子在活性物质本体中的迁移速率降低.由此造成低温下电极极化加剧,充放电容量减小。


另外,低温充电过程中尤其是低温大倍率充电时,负极将出现锂金属析出与沉积,沉积的金属锂易与电解液发生不可逆反应消耗大量的电解液,同时使SEI膜厚度进一步增加,导致锂电池负极表面膜的阻抗进一步增大,电池极化再次增强,最将会极大破坏锂电池的低温性能、循环寿命及安全性能。


一、改善正极材料


正极材料是制造锂电池关键材料之一,其性能直接影响电池的各项指标,而材料的结构对锂离子电池的低温性能具有重要的影响。用导电性优异的材料对活性物质本体进行表面包覆的方法提升正极材料界面的电导率,降低界面阻抗,同时减少正极材料和电解液的副反应,稳定材料结构。


通过Mn、Al、Cr、Mg、F等元素对材料本体进行体相掺杂,增加材料的层间距来提高Li+在本体中的扩散速率,降低Li+的扩散阻抗,进而提升电池的低温性能。磷酸铁锂电池正极材料在充电过程从磷酸铁锂相至磷酸铁相间的相转变比放电过程从磷酸铁相至磷酸铁锂相间的相转变更缓慢,而Cr掺杂可促进放电过程从磷酸铁相至磷酸铁锂相间的相转变,从而改善LiFePO4的倍率性能和低温性能。


二、电解液


电解液作为锂电池的重要组成部分,不仅决定了Li+在液相中的迁移速率,同时还参与SEI膜形成,对SEI膜性能起着关键性的作用。低温下电解液的黏度增大,电导率降低,SEI膜阻抗增大,与正负极材料间的相容性变差,极大恶化了电池的能量密度、循环性能等。


目前,通过电解液改善低温性能有以下两种途径:


通过优化溶剂组成,使用新型电解质盐等途径来提高电解液的低温电导率;


使用新型添加剂改善SEI膜的性质,使其有利于Li+在低温下传导。


综上所述,电解液的电导率和成膜阻抗对锂离子电池的低温性能有重要的影响。对于低温型电解液,应从电解液溶剂体系、锂盐和添加剂三方面综合进行优化。对于电解液溶剂,应选择低熔点、低黏度和高介电常数的溶剂体系,线性羧酸酯类溶剂低温性能优异,但其对循环性能影响较大,需匹配介电常数高的环状碳酸酯如EC、PC共混使用;


对于锂盐和添加剂,主要从降低成膜阻抗方面考虑,提高锂离子的迁移速率.另外,低温下适当提高锂盐浓度能提高电解液的电导率,提高低温性能。


三、负极材料


选择合适的负极材料是提高锂电池低温性能的关键因素,目前主要通过负极表面处理、表面包覆、掺杂增大层间距、控制颗粒大小等途径进行低温性能的优化。


锂电池在低温环境下使用受到限制,除了因为放电容量会严重衰退外,低温下也不能对锂电池进行充电。在低温充电时,电池石墨电极上的锂离子的嵌入和镀锂反应是同时存在的且相互竞争。低温条件下锂离子在石墨中的扩散被抑制,电解液的导电率下降,从而导致嵌入速率降低而在石墨表面上会使镀锂反应更容易产生。锂离子电池在低温下使用时寿命下降的原因主要有内部阻抗的增加与锂离子析出使容量衰减。


以上就是正负极材料和电解液对锂电池低温性能的影响,低温性能限制了锂电池在电动汽车领域、军工领域及极端环境中的应用,开发低温性能优异的锂离子电池是市场的迫切需求。低温环境下对锂电池充电或使用前,必须对电池进行预加热。


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