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(shù)的進(jìn)步，磷酸鐵鋰電池實(shí)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(wěn)步上升，且已經(jīng)超過三元系鋰電池的裝機(jī)量，但磷酸鐵鋰(LiFePO4，LFP)的缺點(diǎn)也很明顯：低溫性能差、振實(shí)密度低、導(dǎo)電性能差等，那如何改善磷酸鐵鋰電池低溫性能呢?

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(kuò)散速率也會降低。在LFP表面包覆一層導(dǎo)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(jìn)出LFP的擴(kuò)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(jìn)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(dòng)力學(xué)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(jié)構(gòu)中形成空位，從而促進(jìn)鋰離子在電極材料中的擴(kuò)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(xué)性能。兩種離子的摻雜并未改變材料的粒徑和結(jié)構(gòu)，還增加了離子傳導(dǎo)速率和電子轉(zhuǎn)移速率。

3、電解液的優(yōu)化

這一點(diǎn)可能并不單單可應(yīng)用到LFP體系中，三元或其它有機(jī)電解液體系的鋰電池均可應(yīng)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(diǎn)就是提高界面電化學(xué)反應(yīng)速率。所以SEI膜的優(yōu)化就顯得至關(guān)重要了，而SEI膜的性質(zhì)由電解液和電極表面性質(zhì)決定。因此，對電解液的優(yōu)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(zhì)量較高的酯的助溶劑可以增加SEI膜的穩(wěn)定性，使鋰離子穩(wěn)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(dǎo)率和SEI膜的穩(wěn)定性。

4、充電策略的優(yōu)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(yùn)動(dòng)與極化會促進(jìn)鋰電池內(nèi)部熱量的產(chǎn)生，這種生熱機(jī)制可有效地用于提高其在低溫下的性能。

有研究表明，利用商業(yè)鋰電池的實(shí)驗(yàn)測試可以驗(yàn)證連續(xù)充電和脈沖充電之間的發(fā)熱差異。從上圖可以看出，微秒脈沖時(shí)間可以促進(jìn)鋰電池中產(chǎn)生更多的熱量。

5、采用新型電池結(jié)構(gòu)

LFP低溫性能的改善不僅可以從材料方面入手，電池結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)幫助也是非常大的。

王朝陽教授團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種新型的電池結(jié)構(gòu)和充電策略。該電池包含一個(gè)輕巧、低成本的內(nèi)部加熱結(jié)構(gòu)，并通過開關(guān)智能地控制充電電流的流向。

當(dāng)電池溫度低于室溫時(shí)，所有電流自動(dòng)流入內(nèi)部加熱結(jié)構(gòu)，使電池快速升溫。當(dāng)電池加熱到高于室溫后，將自動(dòng)切換至充電模式，實(shí)現(xiàn)了全氣候快充。