正負極材料和電解液對鋰電池低溫性能的影響

來源：存能電氣  日期：2019-07-15 09:12  瀏覽量：次

　　正負極材料和電解液對鋰電池低溫性能的影響。鋰電池主要由正極材料、負極材料、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下降、放電容量低、容量衰減快、倍率性能差等特點。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、長循環(huán)壽命、環(huán)境友好等特點在消費類電子產(chǎn)品、電動汽車和儲能等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。作為新能源汽車的動力源，鋰離子電池在實際應用中仍存在較多問題，如低溫條件下能量密度明顯降低，循環(huán)壽命也相應受到影響，這也嚴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，低溫充電過程中尤其是低溫大倍率充電時，負極將出現(xiàn)鋰金屬析出與沉積，沉積的金屬鋰易與電解液發(fā)生不可逆反應消耗大量的電解液，同時使SEI膜厚度進一步增加，導致鋰電池負極表面膜的阻抗進一步增大，電池極化再次增強，最將會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指標，而材料的結(jié)構(gòu)對鋰離子電池的低溫性能具有重要的影響。用導電性優(yōu)異的材料對活性物質(zhì)本體進行表面包覆的方法提升正極材料界面的電導率，降低界面阻抗，同時減少正極材料和電解液的副反應，穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)。

　　通過Mn、Al、Cr、Mg、F等元素對材料本體進行體相摻雜，增加材料的層間距來提高Li+在本體中的擴散速率，降低Li+的擴散阻抗，進而提升電池的低溫性能。磷酸鐵鋰電池正極材料在充電過程從磷酸鐵鋰相至磷酸鐵相間的相轉(zhuǎn)變比放電過程從磷酸鐵相至磷酸鐵鋰相間的相轉(zhuǎn)變更緩慢，而Cr摻雜可促進放電過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，同時還參與SEI膜形成，對SEI膜性能起著關(guān)鍵性的作用。低溫下電解液的黏度增大，電導率降低，SEI膜阻抗增大，與正負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，通過電解液改善低溫性能有以下兩種途徑：

　　通過優(yōu)化溶劑組成，使用新型電解質(zhì)鹽等途徑來提高電解液的低溫電導率；

　　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。

　　綜上所述，電解液的電導率和成膜阻抗對鋰離子電池的低溫性能有重要的影響。對于低溫型電解液，應從電解液溶劑體系、鋰鹽和添加劑三方面綜合進行優(yōu)化。對于電解液溶劑，應選擇低熔點、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，低溫下適當提高鋰鹽濃度能提高電解液的電導率，提高低溫性能。

　　三、負極材料

　　選擇合適的負極材料是提高鋰電池低溫性能的關(guān)鍵因素，目前主要通過負極表面處理、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(chǎn)生。鋰離子電池在低溫下使用時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。

　　以上就是正負極材料和電解液對鋰電池低溫性能的影響，低溫性能限制了鋰電池在電動汽車領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域及極端環(huán)境中的應用，開發(fā)低溫性能優(yōu)異的鋰離子電池是市場的迫切需求。低溫環(huán)境下對鋰電池充電或使用前，必須對電池進行預加熱。