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有關鋰離子電池在高低溫下的性能表現的解析

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年04月13日  

有關動力鋰電池在高溫或低溫下的要求,首先來看一下相關的法規標準是如何規定的:


1.QC/T743-2006電動汽車用鋰離子蓄電池。這是之前實行的老的電池標準,跟高溫、低溫相關的要求重要是針對單體電池的:


-202℃下C/3放電容量不小于額定值的70%


552℃下C/3放電容量不小于額定值的95%


552℃下100%SOC存儲7天后荷電保持率不低于額定值80%,容量恢復不小于額定值90%


2.GB/T31486-2015電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗要求。這是有關單體電池和模塊的最新國標要求,其中有關電池模塊在高溫和低溫下的性能要求為:


在-202℃下的1C放電容量不低于初始容量的70%


在552℃下的1C放電容量不低于初始容量的90%


在552℃下100%SOC存儲7天后,其荷電保持率不低于初始容量的85%,容量恢復應不低于初始容量的90%


3.GB/T31467.1/2-2015電動汽車用鋰離子動蓄電池和系統第1/2部分:高功率/高能量應用測試規程。該標準系列是有關電池包/系統的要求,僅僅供應測試方法,并不供應具體要求。跟高、低溫相關的要求為:


容量和能量測試(這是1C的持續放電)的最高、最低溫度為:40℃和-20℃


功率和內阻測試(短時間大電流放電)的最高、最低溫度為:40℃和-20℃


無附載容量損失測試,最高溫度是40℃


存儲中容量損失測試,最高溫度為45℃


高低溫啟動功率測試,最高溫度、最低溫度為:40℃和-20℃


能量效率測試,最高溫度、最低溫度為:40℃和-20℃取最大值和最小值,可以看到目前標準對溫度的要求是:


電池單體和模塊:-20~55℃


電池包/電池系統:-20~45℃


比較《促進汽車動力鋰電池產業發展行動方法》的目標可以看到:


1.電池單體/模塊


高溫目標與現行單體/模塊高溫一致


低溫目標比現行標準低10℃,達到-30℃


2.電池包/系統


高溫目標比現行電池包/系統溫度高10℃,達到55℃


低溫目標比現行標準低10℃,達到-30℃


圖1是鋰離子電池在不同低溫下的放電容量曲線示意圖(這里用來表示一般的變化趨勢)。跟室溫20℃相比,低溫-20℃下容量衰減已經比較明顯,到-30℃是容量損失更多,-40℃下容量連一半都不到了。



這里看一下影響低溫性能的因素。通過比較容量和電解液電導率關系(圖2)可以看到,溫度越低,電池電解液的電導率越低。當電導率下降之后,溶液傳導活性離子的能力就下降,表現為電池內部反應的阻力就會新增(這個阻力在電化學里面用阻抗表示),造成放電能力下降,即容量下降。更進一步,通過測量電池內部各部分(正極、負極、電解液)阻抗可以看到各部分對電池阻抗的影響(圖3)。當溫度<-10℃左右,正極、負極(圖中以石墨為例)的界面阻抗快速新增,而電解液的阻抗大概在-20℃左右之后快速上升,這幾個阻抗綜合結果就


圖2不同溫度下電池容量和電解液電導率關系法國著名電池公司Saft曾經通過2Ah圓柱電池(正極材料NCM,使用PVdF粘結劑,負極材料碳,使用CMC/SBR粘結劑)研究了高溫對電池性能的的影響,比較了兩個電池在不同高溫下的情況:


是什么影響了鋰離子動力鋰電池在高低溫度下的性能表現?采用圖5的模型說明高溫120℃下電池正極的變化。在120℃下,部分正極粘結劑PVdF從Part1區域遷移到正極表面,這造成Part1區域的粘結劑含量下降,活性材料NMC材料由于粘結劑的缺失,造成了電化學反應的能力下降。在Part2區域,這部分是正極的主體,粘結劑含量正常,高溫影響不大,活性材料可以正常進行反應。


通過分析負極表面可以看到高溫對負極的影響(圖6)。圖6a是負極的初始狀態,在85℃下循環之后,負極表面出現了常見的固體電解質相(圖6b負極表面被新生成的物質覆蓋,造成表面形貌跟初始形貌的不同,有些小的球形物質。SEI:SolidElectrolyteInterface)。當溫度上升在120℃時,生成了更多的SEI(圖6c,負極表面被更多的顆粒覆蓋),消耗了更多的活性鋰離子,造成了容量的下降。


總的來說,影響電池高溫、低溫的因素可以概括為:電解液的電導率、界面阻抗、SEI膜等,這些因素綜合用途在一起,影響了電池的性能。一般的來說,提高電池各組分的電導率或者導電性(包括選擇導電性更好的活性材料、優化電解液成分、改善負極SEI膜成分、抑制正極表面物質的溶出等),從而降低電池整體的阻抗,關于提升高溫、低溫性能是有所幫助的。鋰離子電池對溫度的適應性就跟人體相同,過高、過低的溫度都不利于其發揮最大的功能,選擇合適的材料、優化結構設計、定制合適的使用條件,才能充分發揮其性能。


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