是什么影响了锂离子动力电池在高低温度下的性

2022-04-27 08:29 佚名

3月1日,四部委发布的《促进汽车动力电池产业发展行动计划》的通知中也对锂离子动力电池的使用环境有了温度目标:“。。。使用环境为-30℃至55℃。。。"。这里提出动力电池的温度要求:电池可以在低温-30℃和高温-55℃下使用,但没有明确说明是电池单元、模块还是电池组/系统,也没有说明在这个温度范围内如何使用电池(或者没有提出这个温度范围内的性能要求),特别是在低温-30℃下的要求(比如这个温度下对电容和功率的要求)。

是什么影响了锂离子动力电池在高低温度下的性能表现?

关于动力电池在高低温下的要求,首先我们来看看相关法律法规是如何规定的:

1.QC/T743-2006.电动车用锂离子电池这是之前执行的旧电池标准,高温低温相关要求主要针对单体电池:

-20±2℃下 C/3放电容量不小于额定值的70% 55±2℃下 C/3放电容量不小于额定值的95% 55±2℃下100%SOC存储7天后荷电保持率不低于额定值80%,容量恢复不小于额定值90%

2.GB/T 31486-2015电动汽车动力电池电气性能要求和试验要求。这是单体电池和模块的最新国家标准要求,其中高低温下电池模块的性能要求为:

在-20±2℃下的1C放电容量不低于初始容量的70% 在55±2℃下的1C放电容量不低于初始容量的90% 在55±2℃下100%SOC存储7天后,其荷电保持率不低于初始容量的85%,容量恢复应不低于初始容量的90%

3.GB/T 31467.1/2-2015电动汽车用锂离子电池和系统第1/2部分:高功率/高能量应用的测试规范。本标准系列是关于电池组/系统的要求,仅提供测试方法,不提供具体要求。与高低温相关的要求是:

容量和能量测试(这是1C的持续放电 )的最高、最低温度为:40℃和-20℃ 功率和内阻测试(短时间大电流放电)的最高、最低温度为:40℃和-20℃ 无附载容量损失测试,最高温度是40℃ 存储中容量损失测试,最高温度为45℃ 高低温启动功率测试,最高温度、最低温度为:40℃和-20℃ 能量效率测试,最高温度、最低温度为:40℃和-20℃

取最大值和最小值,我们可以看到当前的温度标准要求是:

电池单体和模块:-20 ~ 55℃ 电池包/电池系统:-20 ~ 45℃

对比《促进汽车动力电池产业发展行动计划》的目标,可以看出:

1.电池组电池/模块

高温目标与现行单体/模块高温一致 低温目标比现行标准低10℃,达到-30℃

2.电池组/系统

高温目标比现行电池包/系统温度高10℃,达到55℃ 低温目标比现行标准低10℃,达到-30℃

图1是锂离子电池在不同低温下的放电容量曲线示意图(此处用于表示总体变化趋势)。与室温20℃相比,低温-20℃时容量衰减明显。在-30℃时,容量损失较多,而在-40℃时,容量不足一半。

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图1锂离子电池低温容量衰减

下面来看看影响低温性能的因素。通过对比容量与电解液电导率的关系(图2),可以看出温度越低,电池电解液的电导率越低。当电导率降低时,溶液传导活性离子的能力会降低,这意味着电池内部反应的电阻会增加(这种电阻在电化学中用阻抗表示),导致放电能力即容量降低。此外,通过测量电池内部各部分(阳极、阴极和电解质)的阻抗,我们可以看到各部分对电池阻抗的影响(图3)。当温度

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图2不同温度下电池容量与电解液电导率的关系

是什么影响了锂离子动力电池在高低温度下的性能表现?

图3不同温度下电池内部部件的阻抗。

法国著名电池公司Saft曾通过2Ah圆柱电池(正极材料NCM、PVdF粘结剂、负极材料碳、CMC/SBR粘结剂)研究了高温对电池性能的影响,并对比了两种电池在不同高温下的表现:

B2电池-首先在60℃循环两次,然后在85℃循环

B3电池-首先在60℃循环两次,然后在120℃循环

从图4可以看出,B2电池在85℃循环26次后,容量损失约为7.5%,电池阻抗增加了100%。B3电池在120℃循环25次后,容量损失约为22%,电池阻抗增加高达1115%。

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图4 B3 B2高温下电池循环曲线和电池阻抗增加曲线

用图5的模型来解释电池正极在120℃高温下的变化。120℃时,部分正极粘结剂PVdF从Part 1区域迁移到正极表面,导致Part 1区域粘结剂含量降低,活性材料NMC材料粘结剂的缺乏导致电化学反应能力下降。Part 2区域,该部分为正极主体,粘结剂含量正常,高温影响不大,活性物质能正常反应。

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图5 120℃循环后正极示意图。

通过分析负极表面,我们可以看到高温对负极的影响(图6)。图6a是负电极的初始状态。85℃循环后,负极表面出现常见的固体电解质相(图6b,负极表面被新生成的物质覆盖,导致表面形态与初始形态不同,出现一些小的球形物质。固体电解质界面).当温度上升到120℃时,产生更多的SEI(图6c,负极表面被更多的颗粒覆盖),消耗更多的活性锂离子,导致容量下降。

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图6负极表面形貌变化

一般来说,影响电池高低温的因素可以概括为:电解液的电导率、界面阻抗、SEI膜等。这些因素综合作用,影响电池的性能。一般来说,提高电池各组成部分的电导率或电导率(包括选择电导率较好的活性材料、优化电解液组成、改善负极SEI膜组成、抑制正极表面材料的溶解等。)可以降低电池的整体阻抗,有助于提高高温和低温性能。锂离子电池对温度的适应性和人体是一样的。温度过高或过低都不利于其发挥最大功能。只有选择合适的材料,优化结构设计,定制合适的使用条件,才能充分发挥其性能。

涉及

J.电源115(2003)137-140;j .电源236 (2013) 265-275