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      低溫對鋰電池容量、壽命、內阻和充放電效率的影響

      來源:恒帝 瀏覽量:1638 次 發布日期:2019-08-10

      鋰電池在低溫環境下使用受到限制,除了因為放電容量會嚴重衰退外,低溫下也不能對鋰電池進行充電。在低溫充電時,電池石墨電極上的鋰離子的嵌入和鍍鋰反應是同時存在的且相互競爭。低溫條件下鋰離子在石墨中的擴散被抑制,電解液的導電率下降,從而導致嵌入速率降低而在石墨表面上會使鍍鋰反應更容易產生。鋰離子電池在低溫下使用時壽命下降的原因主要有內部阻抗的增加與鋰離子析出使容量衰減。

      1. 低溫對鋰電池放電容量的影響

      容量是鋰電池最重要的參數之一,它的大小隨著溫度變化的曲線如下圖所示,下圖是一款磷酸鐵鋰電池的放電曲線。磷酸鐵鋰電池,充電終止電壓為3.65±0.05V,放電終止電壓為2±0.05V,兩條曲線,是電池分別按照0.1C和0.3C在不同溫度下進行放電,得到的溫度容量曲線。非常明顯的,容量隨著溫度的升高逐漸上升-20℃的容量只相當于15℃容量的60%左右。除了容量,隨著溫度降低的還有電池開路電壓。我們都知道,電池中包含能量是容量與端電壓的乘積,當兩個乘數都下降時,電池內的能量一定是兩者下降效果的疊加。
      低溫下正極材料活性降低,使得能夠發生移動帶來放電電流的鋰離子數量下降,是容量下降的根本原因。

      不同溫度和放電倍率下鋰電池放電容量

      2. 低溫對鋰電池壽命的影響

      鋰離子電池的老化不僅取決于時間或循環次數,還取決于操作條件,即應力因素。深入分析包括溫度,充放電率,DOD和平均SOC在內的決定性應力因素的影響是延長鋰離子電池壽命并確保其性能可靠性的先決條件。

      溫度對鋰離子電池的循環老化速率有很大的影響。較低的溫度,由于強化的鋰單質電鍍而降低循環壽命;過高的溫度,由于Arrhenius驅動的老化反應,而縮短電池壽命;因此鋰電池只有在適當的溫度下才能獲得最佳循環壽命。W aldmann7進行了一次綜合實驗覆蓋溫度范圍從- 20℃至70℃,發現25℃是LixNi1/3Mn1/3Co1/3O2/LiyMn2O4混合陰極和石墨/碳陽極的18650型獲得最長電池循環壽命的最佳工作溫度。如其他研究工作所示,最佳循環溫度可能不是25℃。電池的類型多種多樣,最佳循環溫度也不盡相同。Schuster等人研究獲得的最佳溫度在35℃,而Bauer等檢測到最佳溫度是約17℃。溫度高于最佳循環溫度,加速固體電解質界面(SEI)的形成,帶來快速的容量衰減和阻抗升高。在充電過程結束時較低的溫度有利于負極表面鍍鋰的形成。

      3.低溫對鋰電池內阻的影響

      鋰電池溫度與電阻的關系,如下圖所示。不同的曲線代表電池自身不同的荷電量。任何一個荷電量下,電池內阻都隨著溫度的降低而明顯升高,荷電量越低的電芯,內阻越大,并且這個趨勢也隨著溫度的變化而保持不變。
      低溫下,正負極材料中,帶電離子的擴散運動能力變差,穿越電極與電解液的鈍化膜變得困難,在電解液中傳遞的速度也降低,并且在傳遞過程中還會額外產生很多熱量。鋰離子到達負極以后,在負極材料內部的擴散也變得不順暢。全部的過程,帶電離子的運動都變得困難重重,在外部看來,就是電芯的內阻升高了。

      內阻與SOC、溫度之間關系

      4.低溫對鋰電池充放電效率的影響

      下面的曲線,是充電效率跟隨溫度變換的曲線。我們可以觀察到,-20℃下的充電效率只有15℃時候的65%。這里只說效率,低溫充電的危害非常嚴重,這里不展開討論。低溫帶來了前文中描述的種種電化學層面性能的變化,內阻顯著增加。放電過程中,大量的電能消耗在內阻發熱上面。我們觀察到的庫倫效率下降了。電動汽車行駛過程中,就會感覺到,看起來差不多的電量,低溫下續航變短了。

      充電效率隨溫度變化趨勢圖

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