锂电池低温充电效率低、容量低的原因

2024-01-09 11:28

本文主要是介绍锂电池低温充电效率低、容量低的原因,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

前言:锂离子电池在充电时,Li+从正极脱嵌并嵌入负极;但是当一些异常情况:如负极嵌锂空间不足、Li+嵌入负极阻力太大、Li+过快的从正极脱嵌但无法等量的嵌入负极等异常发生时,无法嵌入负极的Li+只能在负极表面得电子,从而形成银白色的金属锂单质,这也就是常说的析锂

一、锂离子电池为什么“怕冷”?

首先需要明确两个问题:

1、锂离子电池是一个复杂的电化学系统

  • 固体材料:过渡金属氧化物正极材料、石墨负极材料,纤维隔膜等;
  • 液体材料:有机电解液(包含锂盐,溶剂及其他添加剂)等。

2、锂离子电池的工作原理涉及两个基本过程:带电粒子的传质过程电化学反应

因此我们发现:锂离子电池中无论是材料还是过程均会受到温度的影响——

  • 固体材料逃不掉“热胀冷缩”的桎梏(离子既不容易嵌入也不容易脱出,穿过隔膜也困难);
  • 液体材料脱不开低温黏度增大甚至凝固的宿命(离子“跑不动”);
  • 带电粒子的传质过程和电化学反应的速度必然降低

二、低温下锂离子电池充放电过程

锂离子电池的正极一般为三元(NCM)、磷酸铁锂(LFP)或者钴酸锂(LCO),负极为石墨(Gr)。如图1所示,充电时,锂离子从正极晶格出来穿过电解液隔膜到负极,嵌入石墨层间。而放电时,则可以理解为从石墨负极层间出来,再回到正极晶格里。

温度一低,分子的运动能力下降了,整个反应速度,物质传输过程都会变慢,那么在电池里慢的最显著的就是锂离子/锂原子在石墨(负极)层间和正极晶格中的传输。于是有大量的锂堆积在电极与电解液界面。充电时,锂离子挤不进石墨层里就会直接在负极表面得到电子变成金属锂(负极失去电子),堆积成锂枝晶放电时,锂离子挤在正极晶格表面,又容易造成正极的破裂(正极得到电子)。

三、低温放置降低电池容量

最近有研究人员发现,电池仅在低温下放置48h,后继续放到室温下静置,随后进行容量测试。发现在低温长时间静置的电池,以小倍率充放电(慢充)时,容量会损失3.2%,但是大倍率充放电(快充)时,容量损失达6%

四、电池加热策略

        目前无论是储能电站还是电动汽车里的电池,都有电池加热的策略。如储能电站里一般是空调或者热泵加热。电动汽车里的电池间通常有加热片,和整体的保温措施。今年八月某国产车企发布了高频脉冲加热方法。这类方法或多或少存在一些缺点,因此现在北方冬天电动汽车都面临着里程跳水现象。

五、总结

        锂电池有明确的工作温度范围,常规状态下规定充电温度是0~45度,放电温度为-20~60度低温状态下对锂电池充电,电池负极表面会有金属锂析出,形成锂枝晶,一旦刺穿阳极和阴极之间的隔膜,会引发电芯内部短路,引起锂电池燃烧、爆炸,造成严重的后果;3C锂电池长期处于高温状态下工作则会影响循环寿命,短期内可能看不到异常,时间一长,电池就会出现鼓包、漏液等现象。

 

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