低溫環境下的循環使用對磷酸鐵鋰電池的壽命影響

2020-09-15 ryder

在新能源行業磷酸鐵鋰電池被看好，電池循環壽命可達到3000次左右，放電穩定，被廣泛應用在動力電池和儲能等領域。但其推廣的速度及應用領域廣度、深度卻不盡如意。阻礙其快速推廣的因素除了價格、電池材料自身引起的批次一致性等因素外，其溫度性能也是重要因素。

一、磷酸鐵鋰電池單體（模組）常溫循環匯總

常溫測試電池的循環壽命可以看出，磷酸鐵鋰電池的長壽命優勢，目前做到3314個循環，容量保持率依然在90%，而達到80%的壽命終止可能要做到4000次左右。

1、磷酸鐵鋰電池單體循環測試

目前已完成：3314cyc，容量保持率為90%。

電池在PACK完成后其中的不一致性已經形成，工藝越精湛成組的內阻越小，電芯間的差異性越小。不過成組后的電池組在使用時會不但要受到電芯本身的差異影響均衡，同時也會受到環境因素影響，比如電池組內外的熱量溫度等，這樣在使用過程中就需要BMS對電池組定期進行均衡，減小電芯間差異，延長使用壽命。

2、成組后的磷酸鐵鋰電池組的模組循環測試

目前已完成：2834cyc，容量保持率為67.26%。

二、磷酸鐵鋰電池單體在高溫環境下的循環匯總

高溫工況下加速電池的老化和縮短使用壽命。磷酸鐵鋰電池的高低溫性能比三元鋰電和聚合物鋰電差很多。低溫性能問題也是磷酸鐵鋰電池目前遇到的最大瓶頸。

1、高溫環境下，磷酸鐵鋰電池單體充放電曲線

2、磷酸鐵鋰電池高溫環境下的循環測試

高溫循環完成1100cyc，容量保持率為73.8%。

三、低溫對鋰電池充放電性能影響

電池在0～-20℃溫度下，放電容量分別相當于25℃溫度下放電容量的88.05％、65.52％和38.88％；放電平均電壓依次為3.134、2.963 V和2.788 V，一20℃放電平均電壓比25℃時降低了0.431 V。從上述分析可知，隨著溫度的降低，鋰電池的放電平均電壓和放電容量均有所降低，尤其當溫度為-20℃時，電池的放電容量和放電平均電壓下降較快。

圖1 磷酸鐵鋰電池不同溫度下放電曲線

從電化學角度分析，溶液電阻、SEI膜電阻在整個溫度范圍內變化不大，對電池低溫性能的影響較小；電荷傳遞電阻隨溫度的降低而顯著增加，且在整個溫度范圍內隨溫度的變化都明顯大于溶液電阻和SEI膜電阻。這是因為隨著溫度的降低，電解液的離子電導率隨之降低，SEI膜電阻和電化學反應電阻隨之增大，導致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學極化均增大，在電池的放電曲線上就表現為平均電壓和放電容量均隨著溫度降低而降低。

圖2 電池低溫下充放電5次后

從圖2可知，在-20℃下循環5次再在25℃下循環，電池的容量與放電平臺均有所降低。這是因為隨著溫度的降低，電解液的離子導電率降低，低溫充電過程中的歐姆極化、濃差極化和電化學極化加大，導致金屬鋰沉積，使電解液分解，最終導致電極表面SEI膜增厚、SEI膜電阻增加，在放電曲線上表現為放電平臺和放電容量降低。

四、在低溫環境對磷酸鐵鋰電池的循環性能影響