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锂电池低温性能不断突破!霜降鸿声切,秋深客...不用思迷!

国际新能源网  来源:电池中国网  日期:2017-10-31
  “霜降鸿声切,秋深客思迷。”选自刘长卿《九日登李明府北楼》,诗句形容的是寒霜降临,大雁哀鸣,深秋来临,身在他乡的人陷入了深深的迷惘。
 
  前几天霜降已过,天气也越来越冷了,对于新能源汽车车主来说,最担心的问题应该就是电池问题了,原本能量满满的锂电池,天冷了电池容量上都要打一个折扣,似乎电池也要进入了冬眠状态,这给新能源汽车车主带来的麻烦可不小,身在他乡的你能不迷惘么?
 
  不要担心,今天这篇文章关注的话题,就是低温对锂电池的影响以及业界的研发进展情况。跟随小编去看看吧~
 
  锂电池最怕是低温?
 
  在美国汽车协会进行的测试中,一辆电动汽车在75华氏度(约合24℃)时的续航里程为105英里(约合169公里),20华氏度(约合7℃)时候就会降至43英里(约合69公里)——下降幅度高达60%。电池与人有几分相似之处,气候转冷后就不那么活跃,铅蓄电池、锂电池和燃料电池等都会受到低温的影响,只是程度不同而已。
 
  以电动客车上使用最多的磷酸铁锂电池为例,这种电池安全性高,单体寿命较长,但低温性能比其他技术体系的电池略差。低温对磷酸铁锂的正负极、电解液和粘接剂等都存在影响。比如,磷酸铁锂正极本身电子导电性比较差,低温环境下容易产生极化,从而降低电池容量;受低温影响,石墨嵌锂速度降低,容易在负极表面析出金属锂,如果充电后搁置时间不足而投入使用,金属锂无法全部再次嵌入石墨内部,部分金属锂持续存在负极的表面,极有可能形成锂枝晶,影响电池安全;低温下,电解液黏度会增加,锂离子迁移阻抗也会随之增大;此外,在磷酸铁锂的生产工艺中,粘接剂也是一个非常关键的因素,低温对粘接剂的性能也会产生较大影响。
 
  同样是锂电池,钛酸锂电池的耐低温性能则比较优异。尖晶石结构的钛酸锂负极材料嵌锂电位约1.5V,不会形成锂枝晶,在充放电过程中体积应变小于 1%。纳米化的钛酸锂电池可大电流充放电,实现了低温快充的同时又保障了电池的耐久性和安全性。比如,主打钛酸锂电池的银隆新能源,其产品具备在-50-60℃的正常充放电能力。
 
  尽管以石墨为负极的锂离子电池可以在-40℃下放电,但要在-20℃及更低温度下实现常规电流充电则比较困难,这也是业内正在积极探索的一个领域。
 
  业内对耐低温锂电池的探索
 
  业内企业及科研机构对电池耐低温性能的探索和攻关,多着眼于对现有正负极材料的工艺改进,以及通过提高电池的局部环境温度为电池在低温下工作创造条件。
 
  现在的电池材料在走向纳米化,材料的粒径、电阻力、AB平面轴长大小三方面会影响电池的低温特性。沃特玛通过三种工艺制备磷酸铁锂材料,采用不同的工艺将其纳米化和进行包覆,结果显示,AB面轴长的增大使锂离子迁移通道变大,这有利于提高电池的倍率性能;从三种工艺生产的材料来看,层间距大的颗粒石墨,本体阻抗和离子迁移阻抗比较小;电解液方面,沃特玛在固定溶剂体系和锂盐基础上,使用低温添加剂,将放电容量从85%提高到90%。据了解,早在2016年底时,沃特玛已经实现-20、-30、-40℃的环境里下,0.5C充电恒流比达62.9%,-20℃实现放电94%。目前,沃特玛的低温电池已经在内蒙古、东北三省等地区大范围推广。
 
  8月31日,北京理工大学等科研团队宣布全气候电池产品研发成功。技术人员利用金属丝通电生热的原理,在电芯上加装镍箔片,镍箔片通电产生热量,使电池内部温度升高。达到一定温度后,箔片会自动断开以保障电池安全。据了解,在-30℃的实验环境,应用这项技术的电池,30秒即能快速升温至0℃以上,放电功率提高6倍以上,充电功率则提高10倍以上。该团队相关人员表示,该技术并不改变电池原有结构,且改造成本极低,适用于铅酸电池、锂电池等各类电池。据电池中国网了解,采用该技术的全气候电动汽车将于2017年12月底发布,预计2020年完成4种车型共11辆产品样车的开发,并开始示范运行。
 
  据媒体报道,在9月20日落幕的2017年“创客中国”新疆创新创业大赛上,中科院新疆理化所博士王磊领衔开发的“全气候锂电池”夺得创客组一等奖,这种锂电池可在-40℃~60℃的环境中稳定工作。目前,该团队已完成了各种高低温条件下的产品测试工作,即将进入商业化产品生产阶段。
 
  2017年9月19日,70辆搭载微宏MpCO锂电池的12米气电混合动力公交车正式在内蒙古包头上线。该地区最低气温在-30℃以下,最高气温可达39℃,包头选用微宏快充电池系统,正是考虑到微宏快充电池优异的环境适应性。
 
  山东威能是一家专业从事军用低温磷酸铁锂电池的研发、生产的高新技术企业,与中科院化学所合作研发、生产的磷酸铁锂电池低温性能实现重大突破,在低温-40℃能够放出额定容量的90%以上。
 
  此外,鹏辉能源的动力电池可以在-20~60℃的环境中使用,不需要加热和冷却系统。桑顿新能源三元耐低温性能有了较大提高,电芯可在-20℃环境下正常放电,可以满足很多整车企业的需求。
 
  为何充电比放电更需要温度?
 
  细心的读者可能会发现,许多企业的电池产品能够实现低温下正常放电,但在同样的温度下,实现正常充电就比较吃力,甚至无法充电,为何?
 
  据业内人士解释,Li+嵌入石墨材料时,首先要去溶剂化,这个过程会消耗一定能量,阻碍了Li+扩散到石墨内部;相反,Li+在脱出石墨材料进入到溶液中时,会有一个溶剂化过程,而溶剂化不消耗能量,Li+可以快速脱出石墨。因此,石墨材料的充电接受能力要明显逊色于放电接受能力。
 
  低温环境下,电池充电有一定的风险。因为随着温度的降低,石墨负极的动力学特性进步一变差,充电过程中,负极的电化学极化明显加剧,析出的金属锂容易形成锂枝晶,穿破隔膜并导致正负极短路。
 
  因此业内人士建议,尽量避免锂离子电池在低温下充电。当电池必须在低温下充电时,需要尽可能选择小电流(即慢充)对锂离子电池进行充电,并在充电后对锂离子电池进行充分搁置,从而保证负极析出的金属锂能够与石墨反应,重新嵌入到石墨负极内部。
 
  当然了,钛酸锂电池有着材料上的优势,它在低温下仍然可以实现快充,这种任性,其他材料电池很难学来。
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