鋰離電池低溫性能研究進展

王偉民?

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，能源短缺的現(xiàn)象越來越突出，現(xiàn)代社會越來越重視新型能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電池在零下溫度下使用，放電容量占常溫放電容量的比例會出現(xiàn)大幅度的下降。本文研究了鋰離子電池低溫條件下放電容量的變化特征，得出結(jié)論：對于低溫引起的放電容量在常溫放電容量的下降，不同的電解液組引起的下降速率變化差異比較大;電芯中注入了相同的電解液組，不同的正負極的錳酸鋰、石墨和NC的比例配方引起的放電容量在常溫放電容量的下降速率也會產(chǎn)生比較大的下降速率差別。

關(guān)鍵詞：鋰電池;低溫;下降速率

1. 前言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，能源短缺的現(xiàn)象越來越突出，現(xiàn)代社會越來越重視新型能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電池在零下溫度下使用，放電容量占常溫放電容量的比例會極速下降，這嚴重限制了低溫環(huán)境下鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用。

2. 鋰離子電池低溫條件下放電容量的變化特征研究

采用錳酸鋰為正極材料，石墨為負極材料，分別采用不同的導電劑和不同的電解液組（電池制作工藝及配方見胡悅麗，2013）裝成A、B、C、D四種不同類型的電池，其在低溫情況下放電容量占常溫放電容量的比例變化見表1。

A電池和B電池采用的正負極的錳酸鋰、石墨和NC的比例配方不同，但電芯中注入了相同的電解液組，其隨溫度變化，放電容量占常溫放電容量中的比例變化見圖1a。

A電池在00C的放電容量在常溫放電容量的比例為69.36%，在-50C的放電容量在常溫放電容量的比例為29.65%，在-100C的放電容量在常溫放電容量的比例為6.90%;B電池在00C的放電容量在常溫放電容量的比例為95.39%，在-50C的放電容量在常溫放電容量的比例為87.28%，在-100C的放電容量在常溫放電容量的比例為75.32%。

可以看出雖然注入了相同的電解液組，B電池的放電性能明顯強于A電池，二者都隨著溫度的降低，放電容量在常溫放電容量的比例急劇下降，并且A電池下降速度也明顯超過B電池。

C電池和A電池采用的正負極的錳酸鋰、石墨和NC的比例配方相同，但電芯中注入了不同的電解液組;C電池和D電池采用的正負極的錳酸鋰、石墨和NC的比例配方相同，但電芯中注入了不同的電解液組。C電池和D電池在電芯中采用了相同的電解液組，其隨溫度變化，放電容量占常溫放電容量中的比例變化見圖1b。C電池在00C的放電容量在常溫放電容量的比例為95.86%，在-50C的放電容量在常溫放電容量的比例為89.02%，在-100C的放電容量在常溫放電容量的比例為86.86%;D電池在00C的放電容量在常溫放電容量的比例為95.98%，在-50C的放電容量在常溫放電容量的比例為90.05%，在-100C的放電容量在常溫放電容量的比例為86.89%。

圖1b可以看出，盡管C電池和D電池的正負極的錳酸鋰、石墨和NC的比例配方不同，但由于電芯中注入了相同的電解液組，因此電池的放電性能比較接近，其隨溫度下降，放電容量在常溫放電容量的下降速率也基本相同。

因此本研究得出結(jié)論：對于低溫引起的放電容量在常溫放電容量的下降，不同的電解液組引起的下降速率變化差異比較大;電芯中注入了相同的電解液組，不同的正負極的錳酸鋰、石墨和NC的比例配方引起的放電容量在常溫放電容量的下降速率也會產(chǎn)生比較大的下降速率差別。

3 低溫環(huán)境對鋰離子電池性能的影響因素分析

3.1 低溫環(huán)境會導致電池正負極材料中鋰離子的擴散能力極速降低

低溫環(huán)境中，鋰離子電池內(nèi)部的鋰離子在正負極材料間進行擴散時會表現(xiàn)出更高的擴散阻抗，除此之外的因素還有電池內(nèi)阻的增加和電極材料的極化。

3.2 低溫環(huán)境會導致電池電解液的導電性能極速降低

Li等對 LiFePO4/Li半電池進行了深入研究，設(shè)定了常溫至零下40度的溫度范圍，LiFePO4/Li半電池的電化學性能表明，LiFePO4/Li半電池在低溫時表現(xiàn)的性能障礙，主要影響因素是低溫環(huán)境下電解液的離子電導率極速降低。

3.3 低溫環(huán)境會導致電池電極界面發(fā)生變化

低溫環(huán)境中，鋰離子電池電極材料具備較低的活性，會顯著減少其發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電極面積，電荷在電極材料和電解液之間界面上進行轉(zhuǎn)移時受到的阻抗會明顯增大。

結(jié)束語

對于低溫引起的鋰離子電池放電容量在常溫放電容量的下降，不同的電解液組引起的下降速率變化差異比較大;電芯中注入了相同的電解液組，不同的正負極的錳酸鋰、石墨和NC的比例配方引起的放電容量在常溫放電容量的下降速率也會產(chǎn)生比較大的下降速率差別。從未來發(fā)展趨勢來看，具有優(yōu)異綜合性能的鋰離子電池不僅僅需要具有良好的低溫性能，而且還需兼顧常溫性能。

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