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溫度對(duì)磷酸鐵鋰離子電池有什么影響

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2021年04月12日  

鋰離子電池具有工作電壓高(是鎳氫、鎳鎘電池的3倍)、比能大(可達(dá)165Wh/kg,是鎳氫電池的3倍)、體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電低、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染等眾多優(yōu)點(diǎn)。在新能源行業(yè)磷酸鐵鋰離子電池被看好,電池循環(huán)壽命可達(dá)到3000次左右,放電穩(wěn)定,被廣泛應(yīng)用在動(dòng)力鋰電池和儲(chǔ)能等領(lǐng)域。但其推廣的速度及應(yīng)用領(lǐng)域廣度、深度卻不盡如意。阻礙其快速推廣的因素除了價(jià)格、電池材料自身引起的批次一致性等因素外,其溫度性能也是重要因素。此文考察了溫度對(duì)磷酸鐵鋰離子電池性能的影響,同時(shí)考察了電池組在高低溫情況下的充放電情況。一、單體(模組)常溫循環(huán)匯總


常溫測(cè)試電池的循環(huán)壽命可以看出,磷酸鐵鋰離子電池的長(zhǎng)壽命優(yōu)勢(shì),目前做到3314個(gè)循環(huán),容量保持率依然在90%,而達(dá)到80%的壽命終止可能要做到4000次左右。


1、單體循環(huán)


目前已完成:3314cyc,容量保持率為90%。


受電芯的加工工藝和模組的成組工藝影響,電池在PACK完成后其中的不一致性已經(jīng)形成,工藝越精湛成組的內(nèi)阻越小,電芯間的差異性越小。以下模組的循環(huán)壽命是目前大部分磷酸鐵鋰能做到的基本數(shù)據(jù),這樣在使用過(guò)程中就要BMS對(duì)電池組定期進(jìn)行均衡,減小電芯間差異,延長(zhǎng)使用壽命。


2、模組循環(huán)


目前已完成:2834cyc,容量保持率為67.26%。


二、單體高溫循環(huán)匯總


高溫工況下加速電池的老化壽命。


1、單體充放電曲線


2、高溫循環(huán)


高溫循環(huán)完成1100cyc,容量保持率為73.8%。


三、低溫對(duì)充放電性能影響


電池在0~-20℃溫度下,放電容量分別相當(dāng)于25℃溫度下放電容量的88.05%、65.52%和38.88%;放電平均電壓依次為3.134、2.963V和2.788V,一20℃放電平均電壓比25℃時(shí)降低了0.431V。從上述分析可知,隨著溫度的降低,鋰離子電池的放電平均電壓和放電容量均有所降低,尤其當(dāng)溫度為-20℃時(shí),電池的放電容量和放電平均電壓下降較快。


圖1磷酸鐵鋰離子電池不同溫度下放電曲線


從電化學(xué)角度分析,溶液電阻、SEI膜電阻在整個(gè)溫度范圍內(nèi)變化不大,對(duì)電池低溫性能的影響較小;電荷傳遞電阻隨溫度的降低而顯著新增,且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化都明顯大于溶液電阻和SEI膜電阻。這是因?yàn)殡S著溫度的降低,電解液的離子電導(dǎo)率隨之降低,SEI膜電阻和電化學(xué)反應(yīng)電阻隨之增大,導(dǎo)致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化均增大,在電池的放電曲線上就表現(xiàn)為平均電壓和放電容量均隨著溫度降低而降低。


圖2電池低溫下充放電5次后


從圖2可知,在-20℃下循環(huán)5次再在25℃下循環(huán),電池的容量與放電平臺(tái)均有所降低。這是因?yàn)殡S著溫度的降低,電解液的離子導(dǎo)電率降低,低溫充電過(guò)程中的歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化加大,導(dǎo)致金屬鋰沉積,使電解液分解,最終導(dǎo)致電極表面SEI膜增厚、SEI膜電阻新增,在放電曲線上表現(xiàn)為放電平臺(tái)和放電容量降低。


1、低溫對(duì)循環(huán)性能影響


從圖中可以看出,電池在-10℃的環(huán)境下容量衰減較快,100次循環(huán)后容量?jī)H剩59mAh/g,容量衰減47.8%;將在低溫下放過(guò)電的電池在常溫下進(jìn)行充放電測(cè)試,考察期容量恢復(fù)性能。其容量恢復(fù)至70.8mAh/g,容量損失達(dá)68%。由此可見(jiàn),電池的低溫循環(huán)對(duì)電池容量的恢復(fù)影響較大。


2、低溫對(duì)安全性能影響


鋰離子電池充電是鋰離子從正極脫出經(jīng)過(guò)電解液遷移嵌入負(fù)極材料的過(guò)程,鋰離子向負(fù)極聚合,由六個(gè)碳原子俘獲一個(gè)鋰離子。在低溫下,化學(xué)反應(yīng)活性降低,同時(shí)鋰離子遷移變慢,在負(fù)極表面的鋰離子還沒(méi)有嵌入到負(fù)極中已經(jīng)先還原成金屬鋰,并在負(fù)極表面沉淀析出形成鋰枝晶,這容易刺穿隔膜造成電池內(nèi)短路,進(jìn)而損壞電池,造成安全事故。


可以由以上數(shù)據(jù)得出,磷酸鐵鋰離子電池受溫度影響很大,在以動(dòng)力鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域和溫度影響較大的應(yīng)用環(huán)境,要對(duì)電池進(jìn)行熱管理(風(fēng)冷、液冷等)才能提高電池的使用效率,延長(zhǎng)電池系統(tǒng)使用壽命。


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