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低溫鋰電池

低溫使用普通的磷酸鐵鋰電池,會有硬傷!

鉅大LARGE  |  點擊量:7197次  |  2018年12月04日  

摘要
低溫是電動汽車在我國大北方、高寒地區等地推廣的一個障礙,更是動力電池企業的一塊心病,攻克動力電池的耐低溫問題,一直是業內重點努力的方向之一。

低溫是電動汽車在我國大北方、高寒地區等地推廣的一個障礙,更是動力電池企業的一塊心病,攻克動力電池的耐低溫問題,一直是業內重點努力的方向之一。


在冬季,自嘲“凍死狗”的人們裹緊了大衣,想盡力留住被風撩撥的一絲溫度。而最尷尬的事情莫過于,當你想駕愛車似古人御風而行的時候,電動車“罷工”了!在冬季,動力電池對溫暖的渴望,不亞于人們在冰天雪地里圍爐取暖的念想。


低溫是電動汽車在我國大北方、高寒地區等地推廣的一個障礙,更是動力電池企業的一塊心病,攻克動力電池的耐低溫問題,一直是業內重點努力的方向之一。


微觀看低溫對動力電池的影響


許多動力電池為什么一到冬季就不行了?在低溫環境里,它的內部究竟發生了什么?


以磷酸鐵鋰電池為例,這種電池安全性高,單體壽命較長,但低溫性能比其他技術體系的電池略差。低溫對磷酸鐵鋰的正負極、電解液和粘接劑等都存在影響。比如,磷酸鐵鋰正極本身電子導電性比較差,低溫環境下容易產生極化,從而降低電池容量;受低溫影響,石墨嵌鋰速度降低,容易在負極表面析出金屬鋰,如果充電后擱置時間不足而投入使用,金屬鋰無法全部再次嵌入石墨內部,部分金屬鋰持續存在負極的表面,極有可能形成鋰枝晶,影響電池安全;低溫環境下,電解液黏度會增加,鋰離子遷移阻抗也會隨之增大;此外,在磷酸鐵鋰的生產工藝中,粘接劑也是一個非常關鍵的因素,低溫對粘接劑的性能也會產生較大影響。


低溫帶來的另外一個問題,反映到用戶端就是充電時間延長。在低溫下充電,電池容易析鋰,所以充電之前,一般要對電池進行緩慢加熱,等電池溫度升高至正常溫度后再進行充電。


多維度攻克耐低溫難題


解決電池的耐低溫問題,通常從電池材料、電芯設計及PACK制造三方面著手,提高鋰的低溫充放電性能和循環壽命。桑頓新能源研發部總經理苗力孝向電池中國網介紹了動力電池的耐低溫解決方案。


目前,動力電池常見的正極材料以三元和磷酸鐵鋰為主,可通過減小粒徑,采用納米技術使得材料的一次顆粒納米化,從而縮短鋰離子的遷移路徑;磷酸鐵鋰可以通過摻雜La(La是鑭的元素符號)、Mg,增大C軸,改變層間距,增大鋰離子傳輸通道;在三元NCM表面包覆LBO-S快離子導體(也稱超離子導體,有時又稱固體電解質,它區別于一般離子導體的最基本特征,即在一定的溫度范圍內具有能與液體電解質相比擬的離子電導率),以減少SEI的形成,使鋰離子的傳輸直接可以通過快離子導體進出材料本體。


對于負極材料,現有石墨負極材料可通過包覆、表面氧化、摻雜或包覆其它元素,來增加石墨層間距,加快鋰離子在負極表面的去溶劑化速度,從而改善鋰離子嵌入石墨負極的速度。苗力孝表示,開發鋰合金、錫基負極等新型負極材料,可大大改善鋰離子電池的低溫性能。


電解液主要分為鋰鹽、溶劑和添加劑三部分。苗力孝介紹,關于鋰鹽,可添加硼酸鹽,有助于在材料表面形成穩定的SEI膜,并有利于鋰離子的擴散;關于溶劑,可通過配置一個合理的比例,改善電解液溶劑的低溫性能;關于添加劑,通過添加不同的添加劑,對電池的低溫性能也有不同的改善作用。據了解,桑頓新能源有專門的團隊,專注于電解液配方研發,以解決動力電池的耐低溫問題。目前,桑頓新能源研發的三元鋰電池,其耐低溫性能有了較大提高,電芯可在零下20℃環境下放電,能夠滿足電動汽車在寒冷環境下的運行需求。


此外,鵬輝能源的動力電池可以在-20~60℃的環境中使用,且不需要加熱和冷卻系統。山東威能是一家專業從事軍用低溫磷酸鐵鋰電池的研發、生產的高新技術企業,與中科院化學所合作研發、生產的磷酸鐵鋰電池低溫性能實現重大突破,在低溫-40℃能夠放出額定容量的90%以上。


推廣新能源汽車低溫是挑戰更是機會


作為鋰電池之一種,鈦酸鋰電池的耐低溫性能則比較優異。尖晶石結構的鈦酸鋰負極材料嵌鋰電位約1.5V,不會形成鋰枝晶,在充放電過程中體積應變小于1%。納米化的鈦酸鋰電池可大電流充放電,實現了低溫快充的同時又保障了電池的耐久性和安全性。


鈦酸鋰電池優異的耐低溫性能。鈦酸鋰電池具備在-50~60℃溫度范圍的正常充放電能力,耐低溫效果良好。鈦酸鋰電池憑借其優異的耐低溫性能,成為我國在寒冷地區推廣新能源汽車的先鋒。


解決耐低溫問題仍需技術驅動


動力電池的低溫問題,還有很多解決方案,比如,所謂的“全氣候電池”,在正負極片之間加入加熱片,通過開關進行電路控制,實現對電池的加熱。這種內加熱的效率要遠遠高于外部加熱,并且能耗更低。全氣候電池在續航能力、充電時間以及使用壽命方面有了大幅改善。


從微觀層面解決動力電池的耐低溫問題,比如從電池材料上攻克耐低溫難題,仍需依靠技術驅動,抓住電池“怕”低溫的病根,對癥下藥,這樣解決也更為徹底。


目前,很多三元鋰電池也具備了耐低溫的特性,鈦酸鋰電池更是耐低溫性能中的佼佼者,電動汽車推廣存在的低溫瓶頸也將逐步得到解決。

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