如何改善磷酸鐵鋰電池低溫性能?

  磷酸鐵鋰電池成本相對三元系電池低,且安全性好,壽命長。隨著技術的進步,磷酸鐵鋰電池實際能量密度也在無限接近理論能量密度。所以其市場占有率也在穩步上升,且已經超過三元系鋰電池的裝機量,但磷酸鐵鋰(LiFePO4,LFP)的缺點也很明顯:低溫性能差、振實密度低、導電性能差等,那如何改善磷酸鐵鋰電池低溫性能呢?今天格瑞普技術人員就帶大家一起探討一下磷酸鐵鋰電池低溫性能的改善方法。

磷酸鐵鋰電池

  如何改善磷酸鐵鋰電池低溫性能?

  1、表面包覆降低LFP顆粒的表面電阻

  鋰電池在低溫下,電極材料界面處的阻抗會增加,離子擴散速率也會降低。在LFP表面包覆一層導電層會有效降低電極材料之間的接觸電阻,從而可提高離子進出LFP的擴散速率。

  一般包覆材料為碳材料。例如,利用無定形碳或碳納米管或石墨烯進行包覆,這些材料均可以使得LFP電極材料界面阻抗降低。另外一種是利用金屬或金屬氧化物涂層。有研究表明,CeO2顆??梢跃鶆蚍植荚贚FP表面。低溫下,CeO2改善后LFP的脫/嵌能力和電極動力學均得到明顯改善。

  2、體相摻雜降低LFP電極的電阻

  離子摻雜可以在LFP晶格結構中形成空位,從而促進鋰離子在電極材料中的擴散。

  有研究表明,Mg和F共摻雜得到的LFe0.92Mg0.08(PO4)0.99F0.03在低溫下具有較好的電化學性能。兩種離子的摻雜并未改變材料的粒徑和結構,還增加了離子傳導速率和電子轉移速率。

  3、電解液的優化

  這一點可能并不單單可應用到LFP體系中,三元或其它有機電解液體系的鋰電池均可應用。

  低溫下,鋰離子在電極/電解液界面的傳遞是其性能的控制步驟。提升低溫性能,其中重要的一點就是提高界面電化學反應速率。所以SEI膜的優化就顯得至關重要了,而SEI膜的性質由電解液和電極表面性質決定。因此,對電解液的優化也可以改善鋰電池的低溫性能。

  有研究表明,在電解液中引入分子鏈較長或者分子質量較高的酯的助溶劑可以增加SEI膜的穩定性,使鋰離子穩定的嵌入,減少電池的極化。

  除此之外,電解液中鋰鹽的選擇同樣會影響到鋰離子電導率和SEI膜的穩定性。

  4、充電策略的優化

  利用脈沖電流來快速加熱低溫下的電池溫度。

  鋰電池在充電過程中,電解液中離子運動與極化會促進鋰電池內部熱量的產生,這種生熱機制可有效地用于提高其在低溫下的性能。

鋰電池

  有研究表明,利用商業鋰電池的實驗測試可以驗證連續充電和脈沖充電之間的發熱差異。從上圖可以看出,微秒脈沖時間可以促進鋰電池中產生更多的熱量。

  5、采用新型電池結構

  LFP低溫性能的改善不僅可以從材料方面入手,電池結構方面的改進幫助也是非常大的。

  王朝陽教授團隊成功開發了一種新型的電池結構和充電策略。該電池包含一個輕巧、低成本的內部加熱結構,并通過開關智能地控制充電電流的流向。

  當電池溫度低于室溫時,所有電流自動流入內部加熱結構,使電池快速升溫。當電池加熱到高于室溫后,將自動切換至充電模式,實現了全氣候快充。

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