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怎么样提高磷酸铁锂离子电池的低温性能?

日前,在第七届全球新能源汽车大会(GNEV7)的分论坛上,沃特玛副总经理饶睦敏发表以《磷酸铁锂动力锂电池低温性能影响因素的研究》为主题的演讲。内容整理如下:


首先,饶睦敏介绍道,沃特玛成立2002年,总部在深圳。目前有12000多员工,同时也是工信部首批进入动力锂电池目录的电池公司,其中配套沃特玛电池的整车有5万多台在路面上跑。


目前电动客车领域大部分动力锂电池使用的都是磷酸铁锂。饶睦敏表示,磷酸铁锂有几个比较优势的特点:循环寿命和倍率比较好,但是低温比其他的电池体系会差一点。其次,目前电动汽车在不同温度下整个效率还是有比较大的差别,常温下能跑160公里的电动汽车可能到了-20度只能跑60-80公里了,效率降低得比较明显。其次是冬天低温充电的问题,包括难充电、安全事故的问题。


针对磷酸铁锂离子电池,沃特玛对它低温特性影响因素做了比较详细的研究:一个是正极的影响,磷酸铁锂正极本身电子导电性比较差,另外比较容易出现极化,降低容量的发挥;第二个负极,负极这块重要是低温充电,因为它会影响到安全性问题;第三个是电解液这一块,可能低温下黏度会增大,锂离子迁移阻抗会增大;第四个就是粘结剂,现这个对电池的低温性能影响也是比较大的。


沃特玛整个思路是从正极、负极、电液、粘结剂四块提高磷酸铁锂离子电池的低温性能。


正极方面,现在都是纳米化,它的粒径、电阻力,AB平面轴长大小三方面会影响到整个电池低温的特性。通过三种工艺制备了磷酸铁锂,从我们整个制备的条件来讲,不同的磷酸铁锂工艺纳米化跟包覆,我们从AB面的轴长来看,AB面轴长的增大使得锂离子迁移通道会变大,将有利于提高电池倍率的性能。不同工艺对正极也有不同的影响,100到200纳米粒径磷酸铁锂做出的电池低温放电特性比较好,在-20度可以释放94%,也就是粒径的纳米化缩短了迁移的路径,也提高了低温放电的性能,因为磷酸铁锂放电重要是跟正极有关。


从负极方面考虑充电特性,饶睦敏认为锂离子电池低温充电重要是负极影响,包括粒径大小还有负极的间距变化,选取了三种不同的人造石墨作为负极,来研究不同的层间距和粒径对低温特性的影响。从三种材料来看,层间距大的颗粒石墨,从阻抗来讲,本体阻抗和离子迁移阻抗比较小一点。


充电方面,饶睦敏认为在冬天低温下放电问题不大,重要是低温充电。因为在横流比方面,1C或者0.5C的横流比非常关键,到恒压要非常长时间,通过改进三种不同石墨的比较,发现其中一种在-20度充电恒流比有比较大的改善,从40%提高到70%多,层间距的增大,还有粒径的减小。


电解液这一块,在-20度,-30度下电解液结冰,黏度增大,形成性能恶化。电解液从三方面:溶剂,锂盐,添加剂。饶睦敏表示,”通过实验我们发现溶剂对磷酸铁锂离子电池低温影响从70%多影响到90%多,有十几个点的影响;其次,不同锂盐对低温的充放电的特性有一定的影响。我们固定了溶剂体系和锂盐基础上,低温添加剂可以使放电容量从85%提高到90%,也就是说,整个电解液体系中,溶剂、锂盐还有添加剂都对我们的动力锂电池低温特性有一定的影响,包括其他的材料体系相同适用。”


粘结剂方面,饶睦敏表示有三种,两种点状,一种线状的。-20度充放电情况下,两种点状大概做了70多到80的循环以后,整个极片是有粘结剂失效的现状,而采用线状的粘结剂不会存在这个问题。在整个体系上,从正极、负极、电解液到粘结剂的改善以后,我们在磷酸铁锂离子电池单体这块做得比较好的效果,一个是充电特性,-20、-30、-40度温度下0.5C充电恒流比可以达到62.9%,-20度温度下放电可以放出94%,这是倍率跟循环的一些特性。


从总体上讲,新能源汽车在北方的正常运营,低温条件下不只是电池单体能够解决充电问题,要通过pack还有BMS整个循环电池的涉猎,还有保障模式的创新,加起来才能充分保障新能源汽车在北方低温正常运营。


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