正負(fù)極材料和電解液對(duì)鋰電池低溫性能的影響

來(lái)源：存能電氣  日期：2019-07-15 09:12  瀏覽量：次

　　正負(fù)極材料和電解液對(duì)鋰電池低溫性能的影響。鋰電池主要由正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液組成。處于低溫環(huán)境的鋰離子電池存在著放電電壓平臺(tái)下降、放電容量低、容量衰減快、倍率性能差等特點(diǎn)。目前多因素影響著鋰電池的低溫性能，如正極的結(jié)構(gòu)、鋰離子在電池各部分的遷移速率、SEI膜的厚度及化學(xué)成分以及電解液中鋰鹽和溶劑的選擇等。

　　鋰電池以其高比能量及功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、環(huán)境友好等特點(diǎn)在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作為新能源汽車的動(dòng)力源，鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用中仍存在較多問(wèn)題，如低溫條件下能量密度明顯降低，循環(huán)壽命也相應(yīng)受到影響，這也嚴(yán)重限制鋰離子電池的規(guī)模使用。

　　鋰電池低溫性能差的主要因素

　　1.低溫下鋰電池電解液的粘度增大，電導(dǎo)率降低；

　　2.電解液/電極界面膜阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗增大；

　　3.鋰離子在活性物質(zhì)本體中的遷移速率降低.由此造成低溫下電極極化加劇，充放電容量減小。

　　另外，低溫充電過(guò)程中尤其是低溫大倍率充電時(shí)，負(fù)極將出現(xiàn)鋰金屬析出與沉積，沉積的金屬鋰易與電解液發(fā)生不可逆反應(yīng)消耗大量的電解液，同時(shí)使SEI膜厚度進(jìn)一步增加，導(dǎo)致鋰電池負(fù)極表面膜的阻抗進(jìn)一步增大，電池極化再次增強(qiáng)，最將會(huì)極大破壞鋰電池的低溫性能、循環(huán)壽命及安全性能。

　　一、改善正極材料

　　正極材料是制造鋰電池關(guān)鍵材料之一，其性能直接影響電池的各項(xiàng)指標(biāo)，而材料的結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子電池的低溫性能具有重要的影響。用導(dǎo)電性優(yōu)異的材料對(duì)活性物質(zhì)本體進(jìn)行表面包覆的方法提升正極材料界面的電導(dǎo)率，降低界面阻抗，同時(shí)減少正極材料和電解液的副反應(yīng)，穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)。

　　通過(guò)Mn、Al、Cr、Mg、F等元素對(duì)材料本體進(jìn)行體相摻雜，增加材料的層間距來(lái)提高Li+在本體中的擴(kuò)散速率，降低Li+的擴(kuò)散阻抗，進(jìn)而提升電池的低溫性能。磷酸鐵鋰電池正極材料在充電過(guò)程從磷酸鐵鋰相至磷酸鐵相間的相轉(zhuǎn)變比放電過(guò)程從磷酸鐵相至磷酸鐵鋰相間的相轉(zhuǎn)變更緩慢，而Cr摻雜可促進(jìn)放電過(guò)程從磷酸鐵相至磷酸鐵鋰相間的相轉(zhuǎn)變，從而改善LiFePO4的倍率性能和低溫性能。

　　二、電解液

　　電解液作為鋰電池的重要組成部分，不僅決定了Li+在液相中的遷移速率，同時(shí)還參與SEI膜形成，對(duì)SEI膜性能起著關(guān)鍵性的作用。低溫下電解液的黏度增大，電導(dǎo)率降低，SEI膜阻抗增大，與正負(fù)極材料間的相容性變差，極大惡化了電池的能量密度、循環(huán)性能等。

　　目前，通過(guò)電解液改善低溫性能有以下兩種途徑：

　　通過(guò)優(yōu)化溶劑組成，使用新型電解質(zhì)鹽等途徑來(lái)提高電解液的低溫電導(dǎo)率；

　　使用新型添加劑改善SEI膜的性質(zhì)，使其有利于Li+在低溫下傳導(dǎo)。

　　綜上所述，電解液的電導(dǎo)率和成膜阻抗對(duì)鋰離子電池的低溫性能有重要的影響。對(duì)于低溫型電解液，應(yīng)從電解液溶劑體系、鋰鹽和添加劑三方面綜合進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于電解液溶劑，應(yīng)選擇低熔點(diǎn)、低黏度和高介電常數(shù)的溶劑體系，線性羧酸酯類溶劑低溫性能優(yōu)異，但其對(duì)循環(huán)性能影響較大，需匹配介電常數(shù)高的環(huán)狀碳酸酯如EC、PC共混使用；

　　對(duì)于鋰鹽和添加劑，主要從降低成膜阻抗方面考慮，提高鋰離子的遷移速率.另外，低溫下適當(dāng)提高鋰鹽濃度能提高電解液的電導(dǎo)率，提高低溫性能。

　　三、負(fù)極材料

　　選擇合適的負(fù)極材料是提高鋰電池低溫性能的關(guān)鍵因素，目前主要通過(guò)負(fù)極表面處理、表面包覆、摻雜增大層間距、控制顆粒大小等途徑進(jìn)行低溫性能的優(yōu)化。

　　鋰電池在低溫環(huán)境下使用受到限制，除了因?yàn)榉烹娙萘繒?huì)嚴(yán)重衰退外，低溫下也不能對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。在低溫充電時(shí)，電池石墨電極上的鋰離子的嵌入和鍍鋰反應(yīng)是同時(shí)存在的且相互競(jìng)爭(zhēng)。低溫條件下鋰離子在石墨中的擴(kuò)散被抑制，電解液的導(dǎo)電率下降，從而導(dǎo)致嵌入速率降低而在石墨表面上會(huì)使鍍鋰反應(yīng)更容易產(chǎn)生。鋰離子電池在低溫下使用時(shí)壽命下降的原因主要有內(nèi)部阻抗的增加與鋰離子析出使容量衰減。

　　以上就是正負(fù)極材料和電解液對(duì)鋰電池低溫性能的影響，低溫性能限制了鋰電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域及極端環(huán)境中的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)低溫性能優(yōu)異的鋰離子電池是市場(chǎng)的迫切需求。低溫環(huán)境下對(duì)鋰電池充電或使用前，必須對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱。