提高磷酸铁锂电池低温性能试验方案
磷酸铁锂的低温性能
一、概述
磷酸铁锂也存在严重的缺点: (1)电子电导率低和锂离ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ扩散系数小。 (2)低温性能差影响其在低温特殊环境中的应用(如军事和航空 航天任务)。 (3)振实密度小磷酸铁锂的理论密度约为3.69/cm3,比其 他正极材料小得多(如钴酸锂的理论密度为5.19/cm3),同 时,由于实际中往往在磷酸铁锂中加入导电剂碳,这使得磷 酸铁锂正极材料振实密度一般只能达到1.0~1.39/cm3。 为了提高磷酸铁锂( LiFePO4 )电池的低温性能, 采用电导率较 高的碳纳米管作为磷酸铁锂电极的导电剂, 以LiFePO4 和金属 锂为正负极材料, 低温性能测试结果表明, 碳纳米管在电极中 易形成良好的导电网络, 减轻电极的极化, 能有效改善磷酸铁 锂电池的低温放电性能。
六、研究方案
我们先采用机械力化学法合成磷酸铁锂正极材料 之后对制备的磷酸铁锂进行适当改性,即在磷酸铁锂表面 包覆导电碳或加入少量的导电金属颗粒( 例如Cu、Ag、Ni), 和进行碳包覆。采用蔗糖作为碳源。 电解液采用研究在常用的Celgard 2300 多微孔的聚乙烯薄 膜和一定量的LiPF6、碳酸乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC) 按一定比例混合而成,涂渍在Al箔上。 采用中间相炭微球作为负极,采用膨胀是石墨层间距的方 法进行改性。组装电池之后进行材料表征及电池性能测试 25°C和-30°C范围内进行电池性能测试,循环伏安法测 试,测试并作出电化学阻抗谱,扫描电子显微镜和透射电 子显微镜对正负极材料进行观察,研究其微观结构,X射线 衍射观察正负极的晶型结构,
七、结语
感谢学校提供一个让我们有展现自己想法的科 研训练,可能只是一次微不足道的尝试,但这 是我们积累经验和知识的好机会,希望我们能 够尽我们所学,所能圆满完成实验。 对我们科研训练和创新实验费心费力的张卫新 老师,我们报以深深的谢意。
低温区域锂电池解决方案
低温区域锂电池解决方案1.引言1.1 概述锂电池作为一种高性能、轻便的储能设备,在现代社会的发展中扮演着重要的角色。
然而,锂电池在低温环境下面临着一系列的挑战和问题。
低温会导致锂电池的性能下降,使得其放电容量和充电速度减少,甚至可能引发电池的损坏和故障。
针对这一问题,本文将着重探讨在低温区域下,解决锂电池问题的有效方案。
首先,我们会概述低温对锂电池的影响。
低温环境下,锂电池的活性物质反应速率降低,电解质凝固,电阻增加,电池内部化学反应受到限制。
这些因素导致锂电池的性能衰退,其储能能力和功率输出受限。
接着,我们将介绍解决低温下锂电池问题的方法。
这些方法包括改良电解质、优化电极材料、增加电池温度、使用辅助加热装置等。
通过这些方法,可以提高锂电池的性能和稳定性,使其在低温环境下依然高效工作。
总之,在低温区域下,解决锂电池问题是一个具有挑战性的课题。
本文将深入探讨低温对锂电池的影响以及解决方案,旨在为锂电池在极端环境下的应用提供有效的解决思路。
接下来的章节将会详细介绍低温对锂电池的影响以及各种解决方法,并在结论部分对未来的发展进行展望。
1.2文章结构文章结构部分主要介绍了整篇文章的组织结构和各个部分的内容安排。
本文的结构分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要概述了本文的主题和目的,并简要介绍了低温对锂电池的影响以及解决低温下锂电池问题的方法。
正文部分则会详细探讨低温对锂电池的影响,并列举并分析解决低温下锂电池问题的各种方法。
这些方法可能包括但不限于改进锂电池化学成分、优化电池结构设计、改进电池材料和制造工艺、采用保温措施等。
结论部分将对整篇文章进行总结,简要回顾低温对锂电池的影响和解决低温下锂电池问题的方法,并对未来在该领域的研究方向和可能的发展趋势进行展望。
通过以上的文章结构,读者可以清晰地了解到本文的整体内容安排,有助于读者快速把握文章的主旨和要点。
1.3 目的本文的目的是探讨低温区域下锂电池面临的问题,并提供解决方案。
磷酸铁锂电池高低温极限测试条件和可接受标准
磷酸铁锂电池高低温极限测试条件和可接受标准磷酸铁锂电池高低温极限测试条件和可接受标准引言•磷酸铁锂电池作为一种新兴的高性能电池,广泛应用于电动汽车、储能系统等领域。
•为了确保电池的安全性和稳定性,在不同温度条件下的极限测试是必要的。
高温极限测试条件•高温环境对电池的性能和寿命有很大影响,因此需要有相应的测试条件和标准。
–温度范围应设定在60℃至80℃之间。
–在该温度下,电池应正常工作,并且不能发生过热、漏液或爆炸等安全问题。
–充放电性能应维持在设定范围内,电池容量损失率不能超过指定值。
低温极限测试条件•低温环境下电池的放电性能会显著降低,因此对于电池的低温极限测试也至关重要。
–温度范围应设定在-20℃至-40℃之间。
–在该温度下,电池应正常工作,并且不能发生过热、漏液或爆炸等安全问题。
–充放电性能应维持在设定范围内,电池容量损失率不能超过指定值。
可接受标准•针对磷酸铁锂电池的高低温极限测试,在测试过程中需要严格遵守以下标准:1.温度控制精度:测试设备应具备精确的温度控制,误差不得超过1℃。
2.电池安全性:电池在高低温测试过程中不能发生过热、漏液或爆炸等安全问题。
3.充放电性能:电池在高低温环境下的充放电性能应维持在设定范围内,容量损失率不得超过规定值。
4.测试持续时间:测试时间应根据具体要求设定,一般应持续至少48小时以上,以保证测试的可靠性和准确性。
结论•磷酸铁锂电池的高低温极限测试条件和可接受标准是确保电池性能和安全性的重要保证。
•在测试过程中,需要注意温度控制精度、电池的安全性、充放电性能以及测试持续时间等方面的要求。
•通过严格按照相关标准进行测试,可以有效评估电池在不同温度条件下的性能,为其应用提供参考和保证。
低温条件下磷酸铁锂-石墨体系锂离子电池阻抗研究
磷酸铁锂-石墨体系锂离子电池是一种在低温条件下工作的重要能量存储设备。
研究其在低温条件下的电化学性能及阻抗特性,对于提高电池在特殊环境下的安全性和可靠性具有重要意义。
本文将对低温条件下磷酸铁锂-石墨体系锂离子电池的阻抗特性进行深入研究。
1. 研究背景磷酸铁锂-石墨体系锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命和良好的安全性能,被广泛应用于电动车和储能系统等领域。
然而,在低温环境下,电池的性能会受到很大影响,导致电池的输出功率下降、循环寿命减少、安全性降低等问题。
研究低温条件下磷酸铁锂-石墨体系锂离子电池的阻抗特性,对于改善电池的低温性能具有重要意义。
2. 低温条件下电池阻抗的影响低温条件下,电池内部液态电解质的导电性下降,极化现象加剧,电极反应速率减慢,都会导致电池内阻增加。
低温条件下电池的阻抗会显著增加,影响电池的动力性能和循环寿命。
3. 研究方法为了研究低温条件下磷酸铁锂-石墨体系锂离子电池的阻抗特性,我们选取了一批具有代表性的电池样品,通过恒流充放电实验和交流阻抗谱测试,获取了电池在不同温度下的阻抗数据。
我们还通过电化学表征技术,对电池的结构和物理化学性能进行了分析。
通过综合分析这些数据,我们得出了电池在低温条件下的阻抗特性及其影响因素。
4. 结果与讨论通过实验和分析,我们发现低温条件下磷酸铁锂-石墨体系锂离子电池的阻抗主要受到电化学极化和电解质导电性下降的影响。
在低温环境下,电池内部的电子传输和离子传输速率减慢,导致了电池内阻的增加。
石墨负极在低温条件下也容易发生锂金属析出和表面电化学不稳定性,进一步增加了电池的内阻。
这些因素共同导致了电池在低温条件下的性能下降。
5. 改进措施针对上述问题,我们提出了一些改进措施,以提高低温条件下磷酸铁锂-石墨体系锂离子电池的阻抗特性。
可以优化电池的电极材料和电解质配方,提高电极材料的导电性和电化学稳定性,改善电解质的导电性能。
可以通过优化电池的结构设计和工艺参数,提高电池在低温条件下的动力性能和循环寿命。
磷酸铁锂电池测试方法
低温磷酸铁锂电池测试方法及检测标准1.电池测试方法蓄电池充电在20℃士5℃条件下,蓄电池以1IA电流放电,至蓄电池电压达到 V,静置1h,然后在3A恒流充电,至蓄电池电压达时转恒压充电,至充电电流降20℃±5℃条件下以1I3至时停止充电.充电后静置lh.20℃放电容量a 蓄电池按方法充电.b 蓄电池在20℃士5℃下以1IA电流放电,直到放电终止电压 .3A的电流值和放电时间数据计算容量以计.c 用1I3d 如果计算值低于规定值,则可以重复a一c步骤直至大于或等于规定值,允许5次.-20℃放电容量a 蓄电池按方法充电.b 蓄电池在-20℃士2℃下储存20h.A电流放电,直到放电终止电压.c 蓄电池在-20℃士2℃下以1I3d 用c电流值和放电时间数据计算容量以计,并表达为20℃放电容量的百分数. -40℃放电容量a 蓄电池按方法充电.b 蓄电池在-40℃士2℃下储存20h.c 蓄电池在-40℃士2℃下以1IA电流放电,直到放电终止电压.3d 用c电流值和放电时间数据计算容量以计,并表达为20℃放电容量的百分数.备注:1I3— 3h率放电电流,其数值等于C3/3.C3— 3 h率额定容量Ah.高温荷电保持与容量恢复能力:a 蓄电池按方法充电.b 蓄电池在60℃士2℃下储存7day.c 蓄电池在20℃士5℃下恢复5h后,以1I3A电流放电,直到放电终止电压d 用 c的电流值和放电时间数据计算容量以计,荷电保持能力可以表达为额定容量的百分数 .e 蓄电池再按方法充电.f 蓄电池在20℃士5℃下以113A 电流放电,直到放电终止电压 .9 用 f的电流值和放电时间数据计算容量以A-h计,容量恢复能力可以表达为额定容量的百分数 .循环寿命a然后在20℃±5℃条件下以9I3A恒流充电,至蓄电池电压达时转恒压充电,至充电电流降至时停止充电.充电后静置lh.b 蓄电池在20℃士2℃下以913A 电流放电,放电后静置l5min.c 蓄电池按a方法充电.d 蓄电池按b一c步骤连续重复若干次.e 按方法检查容量.如果蓄电池容量小于额定容量的92%终止试验.f b 一e步骤在规定条件下重复的次数为循环寿命数.高温满电存储a 蓄电池按方法充电.b将蓄电池置于85℃士2℃的环境下存放24h,观察电芯的状况.交流内阻测试测试条件:温度20℃±2℃,交流频率:1KHZ.2.要求20℃放电容量蓄电池按检验时,其容量不低于企业提供的技术条件中规定的额定值,同时容量不应高子企业提供的技术条件中规定的额定值的110%,-20℃放电容量蓄电池按试验时,其容量应不低于额定值的70%.-40℃放电容量蓄电池按试验时,其容量应不低于额定值的50%.常温与高温荷电保持与容量恢复能力蓄电池按试验时,其常温及高温荷电保持率应不低于额定值的92%,容量恢复能力应不低于额定值的94%.循环寿命蓄电池按试验时,其循环寿命应不少于300次.高温满电存储蓄电池按试验时,电池盖帽CIDCurrent Interrupt Device不能断点或盖帽防爆阀不能开启.交流内阻测试蓄电池按试验时,其交流内阻≤10mΩ.。
基于磷酸铁锂高低温性能电池的制备及其优化
基于磷酸铁锂高低温性能电池的制备及其优化能源危机日益加剧,新能源的开发与能源的有效贮存已成为当今主要的能源战略。
锂离子电池(LIBs)作为最稳定能源存储设备之一,已在电子设备,电动车中广泛使用。
然而锂离子电池有限的低温性和高温性能严重限制了其在严寒地区和特殊邻域的使用,增加了使用过程中的风险。
锂离子电池低温性能的控制步骤是界面电化学反应,提升电池低温性能的本质就是提电池升界面电化学反应,因此电极材料和固体电解质界面膜(SEI)的优化就变得至关重要,SEI膜的性质由电解液和电极表面性质决定,所以优化电池的低温性能,应首先从电解液和电极材料入手。
当温度高于45℃时,电池性能开始不可逆的退化,要提升电池的高温性能,就必须增加电池各个部件的热稳定性,而耐高温电池的开发最可能受到隔膜的限制,因为具有优异热稳定性的电极材料和电解液已见诸于文献报道,而真正耐高温且能保证稳定电池性能的隔膜还有待进一步开发。
因此提升电池的高温性能应首先从隔膜开始。
本文通过对电解液和电池隔膜的优化,进一步改善和提升了电池的低温性能和高温性能。
根据全文的实验和结果分析,得出如下结论:(1)采用1 M二氟草酸硼酸锂/碳酸乙烯脂-碳酸丙烯脂-乙酸甲酯(LiODFB/EC-PC-MB)电解液替代常规电解液,有效的降低了低温下的电子转移电阻(R<sub>ct</sub>),提高了低温下锂离子的电导率,使得电池低温性能得到显著改善,磷酸铁锂(LFP)/Celgard 2325/Li电池在-20℃下电池容量的保有率从11%提升到39%。
在1 M LiODFB/EC-PC-MB电解液的基础上使用聚偏二氟乙烯-六氟丙烯-二氧化硅(PVDF-co-HFP/SiO<sub>2</sub>)隔膜替换商业隔膜,进一步将-20℃下电池容量的保有率提升71%。
隔膜对于电池低温性能的提升主要源于新型PVDF-co-HFP/SiO<sub>2</sub>隔膜优异的吸液量和润湿性。
磷酸铁锂电池高低温极限测试条件和可接受标准(一)
磷酸铁锂电池高低温极限测试条件和可接受标准(一)磷酸铁锂电池高低温极限测试条件和可接受标准1. 介绍磷酸铁锂电池是一种常用的动力电池,广泛应用于电动汽车、电动工具等领域。
为了确保磷酸铁锂电池的性能和安全性,进行高低温极限测试是必要的。
本文将探讨磷酸铁锂电池高低温极限测试的条件和可接受标准。
2. 高温极限测试条件•温度范围:高温测试通常在60摄氏度至80摄氏度之间进行。
•时间要求:电池应在高温条件下连续放置一段时间,通常为24至48小时。
•测试环境:高温测试应在恒定的温度控制设备下进行,以确保稳定的温度条件。
3. 高温极限测试的可接受标准•外观变化:电池不得有任何物理损伤,如变形、裂纹等。
•功能性能:电池在高温条件下应能够正常充放电,并保持稳定的容量和循环寿命。
•温升:电池温升应在规定的范围内,以防止过热造成安全隐患。
•安全性:电池不得发生渗漏、短路、爆炸等危险情况,以保证使用时的安全性。
4. 低温极限测试条件•温度范围:低温测试通常在-20摄氏度至-40摄氏度之间进行。
•时间要求:电池应在低温条件下连续放置一段时间,通常为24至48小时。
•测试环境:低温测试应在恒定的温度控制设备下进行,以确保稳定的温度条件。
5. 低温极限测试的可接受标准•外观变化:电池不得有任何物理损伤,如变形、裂纹等。
•功能性能:电池在低温条件下应能够正常充放电,并保持稳定的容量和循环寿命。
•启动性能:电池应能够在低温下正常启动,以满足用户需求。
•安全性:电池不得发生渗漏、短路、爆炸等危险情况,以保证使用时的安全性。
6. 结论磷酸铁锂电池的高低温极限测试对于保证其性能和安全性至关重要。
通过严格执行高温和低温测试条件,并依据可接受标准进行评估,可以确保磷酸铁锂电池在各种极端温度条件下的可靠性。
对于这种优秀的电池技术,我们应不断强化测试和标准,推动其在更广泛领域的应用。
低温磷酸铁锂电芯方案改善方法
低温磷酸铁锂电芯方案改善方法1. 引言说到电池,咱们生活中几乎离不开它。
从手机到电动车,电池简直是现代科技的心脏。
而提到磷酸铁锂电芯,嘿,这可是一种很受欢迎的电池类型,尤其在安全性和使用寿命上表现得不错。
不过,低温条件下,它们的表现就像冬天的青蛙,真是不敢恭维!今天咱们就聊聊怎么改善低温磷酸铁锂电芯的方案,让它们在寒冷的环境中也能如鱼得水。
2. 低温性能问题2.1 低温对电池的影响首先,让我们简单聊聊低温对电池的影响。
想象一下,冬天你早上起床,外面冷得像冰窖,电池也在经历着这样的“冷酷无情”。
在低温下,电池的电化学反应速度减缓,就像是你在寒风中慢吞吞地走路,完全没有动力。
而且,放电容量也会大打折扣,简直是心里那个着急呀,出门时满电的电池,结果到半路就罢工,这可真是让人抓狂。
2.2 电池热管理的必要性这时候,咱们就得提到电池热管理的重要性了。
就像咱们冬天要穿厚衣服,电池也需要合适的“保暖”。
一旦在低温环境下,电池的温度没法保持在一个合理的范围内,性能自然会下降。
要是能找到一些简单有效的热管理方案,就能让这些电池在寒冷的冬天也能保持活力,哎呀,这就成了当务之急了。
3. 改善方案3.1 材料改进首先,材料的改进是个不错的方向。
其实,不同的材料在低温下的表现差别可大了。
我们可以考虑使用一些低温性能更好的导电材料,像是碳基材料,来提高电池在低温环境下的电导率。
这就好比你给冬天的衣服加了绒里,不仅保暖还不容易被风吹走。
这样一来,电池在寒冷天气下也能保持较高的性能。
3.2 电池设计优化接下来,电池的设计也要优化。
设计合理的电池结构,可以改善电池内部的热流动。
比如,在电池内部增加一些导热材料,让热量能够更均匀地分布,就像锅底加了不粘涂层,热量不会集中在一个地方,而是均匀散发。
这样的话,电池在使用过程中,温度就不会出现大幅度的波动,能有效地提高低温下的使用效果。
4. 结论总的来说,改善低温磷酸铁锂电芯的方案还是有很多路可以走的。
提高磷酸铁锂电池低温性能试验方案
低温改性磷酸铁锂电池实验方案在电池制作过程中,试验从以下几点出发改善电池的低温性能:1、正极箔材:利用表面涂有到点钛粉的铝箔替代原有箔材,提高电子导电率;2、利用低温电解液;3、与德方的低温正极材料按比例混合;4、配料过程中掺杂碳纳米管;5、增加电芯厚度;6、利用孔隙率高的隔膜;7、配料过程中添加一定量的石墨烯做导电剂;HEV和EV中电池管理经验之谈2011-10-09 20:24:04 来源:电子系统设计就混合动力汽车(HEV) 和电动汽车(EV) 而言,使用锂离子电池,可在功率、能量密度、效率和环境影响之间取得最佳平衡。
但同时,锂离子电池也是易损坏和危险的,而汽车环境又相当棘手、难以应付。
混合动力汽车和电动汽车的电子产品面临的挑战是,弥补要求苛刻的汽车环境和电池敏感性之间的差距。
汽车环境的苛刻和电池的敏感堪称地狱中的绝配。
考虑到汽车对能量、功率和环境的要求,安全、可靠地使用大型锂离子电池组绝对不是一个简单的任务。
锂离子电池以满充电状态或满放电状态工作时,容量会降低。
考虑到循环往复的充电、组与组之间的差别和不同的环境条件,每节电池的容量都会随着时间推移而降低并产生偏离。
因此,电池组要实现15 年、5000 个充电周期的目标,每节电池都必须保持在有限的工作范围内工作。
通过控制每节锂离子电池的充电状态(SOC),可以最大限度地提高电池组的容量,同时最大限度地减轻容量的降低。
确保高效率、安全地使用汽车电池组,是电池管理系统(BMS) 的责任。
电池管理系统的任务是,仔细跟踪和控制每节电池的充电状态。
电池管理系统的测量准确度至关重要,因为它决定了每节电池能多么靠近其可靠充电状态范围的边缘工作。
最大限度地提高可用容量的能力决定了所需的电池数量,而电池数量对成本和重量有很大的影响。
准确地测量每节电池的电压相当困难,因为电池组中的电池易受高共模电压和高频噪声的影响。
为了理解这一点,我们想想以下事实:电动汽车/混合动力汽车的电池组通常电压非常高,由100 至200 个串联连接的电池组成。
提高锂电池低温性能
提高锂电池低温性能提高锂电池低温性能步骤一:引言锂电池是一种重要的电力储存设备,广泛应用于移动电子设备、电动汽车和储能系统等领域。
然而,锂电池在低温环境下会遇到性能下降的问题,如容量减少、电阻增加和功率输出降低等。
因此,提高锂电池在低温环境下的性能成为一个重要的研究方向。
步骤二:了解低温效应在开始提高锂电池低温性能之前,我们需要了解低温对锂电池的影响。
低温下,锂电池中的电化学反应速率减慢,导致电池容量减少。
同时,电解液的电导率降低,电极与电解质之间的接触电阻增加,从而使电池的内阻增加。
此外,低温环境下锂金属负极上的锂枝晶化现象会导致电池短路和安全隐患。
步骤三:优化电解液配方电解液是锂电池的重要组成部分,对低温性能有着重要影响。
优化电解液配方可以改善锂电池在低温下的性能。
一种常用的方法是添加低温添加剂,如氟化物和碳酸酯类溶剂,以增加电解液的导电性和减小电极与电解质之间的接触电阻。
此外,适当调整电解液中的锂盐浓度和添加剂浓度,可以提高电池的低温容量和功率输出。
步骤四:改变电极材料电极材料也是影响锂电池低温性能的重要因素。
改变电极材料的组成和结构可以提高电极在低温条件下的电导率和锂离子传输速率。
例如,在负极材料中添加导电剂,如碳纳米管或导电聚合物,可以增加电极的导电性。
此外,改变正极材料的结构,如纳米颗粒和涂层,可以提高正极在低温下的锂离子扩散速率,从而改善电池的低温性能。
步骤五:设计合理的电池结构电池结构的设计也对锂电池的低温性能有重要影响。
例如,在电池中加入热管理系统,如加热器和温度传感器,可以提高电池的工作温度,改善低温环境下的电池性能。
此外,合理设计电池内部的隔膜和电解质层厚度,可以减小电池内部的电阻,提高低温下的电池输出功率。
步骤六:系统优化除了上述单独优化的方法,系统优化也是提高锂电池低温性能的重要手段。
例如,优化电池的充放电策略,控制电池的温度和电流,可以减小低温对电池性能的影响。
此外,合理设计电池组件的连接和布局,可以减小电池组件之间的热阻,提高整个电池系统的低温性能。
磷酸铁锂电池低温性能的研究
文 章 编 号 : 00— 43 2 0 ) 2 】3一 2 10 5 6 ( 09 s 一O 1 D
磷 酸 铁 锂 电池 低 温 性 能 的 研 究
谢晓华 ,张 建 ,李 佳 ,刘浩涵 ,夏保佳
( 国科 学 院 上 海 微 系 统 与信 息 技 术 研 究 所 , 中 上海 2 0 5 ) 0 00
2 结 果与 讨 论
在室温 ( T 下 , ie O / i R ) LF P L 电池 以 0 1C充 满 .
池研究 者关注 的重 点问 题 J .本 文将 探讨 碳 纳 米
管 ( N s 对 LF P 电池低 温性能 的影 响. C T) ie O
电, 分别在 R T及 一 O℃下 以 0 1c倍率 放电 , 果 3 . 结 如图 1 所示 .由于 在 低 温 条件 下 , 电池 的欧姆 极 化
电容量也 相应降低 .采用 不同导 电剂 的 电池 的室温 放 电容量基 本相 当 , 与导 电炭 黑相 比 , 采用纳 米碳管 作 为导 电剂 的电池在 低温条件 下 的放 电平 台和放 电
容 量均有所 提 高. 图 2为 LFP 【 ie O / j电池 在 一 0 的倍率 放 电 曲 3℃ 线 .导 电炭黑 作 为 导 电剂 , ie O / i LFP L 电池 在0 2C . 和 0 5C的放 电相对容量 ( . 低温放 电容量与室温放 电 容 量之 比) 分别为 4.%和 3.% , 电 中点 电压分 77 93 放
和 电化学极 化均增 大 , 因此 与 室温 下 的放 电 曲线 相
比 , Oc 的放 电 曲线 不 但放 电平 台下 降 , 一3 = 【 而且 放
1 实验
正 极 由 LF P 导 电剂 和 聚偏 氟 乙烯 ( V F ie O 、 P d) 按质量 比 8 : :0组 成.先 将 P d 55 1 V F溶解 在 N一甲 基 毗咯 烷 酮 ( MP) , 将 LF P 和 导 电 炭 黑 N 中 再 ie O
磷酸铁锂电池低温性能的改性方法简述
特邀稿件磷酸铁锂电池低温性能的改性方法简述胡㊀晨a㊀金㊀翼a∗㊀朱少青b㊀徐㊀晔b∗㊀水江澜c∗(a中国电力科学研究院有限公司新能源与储能运行控制国家重点实验室㊀北京100192ꎻ北京航空航天大学b机械工程与自动化学院ꎻc材料科学与工程学院㊀北京100191)摘㊀要㊀LiFePO4电极材料具有比容量高㊁工作电压稳定㊁成本低及环境友好等优点ꎬ被视为理想的锂离子电池正极材料ꎬ是目前电动汽车主要正极材料之一ꎮ然而在低温下LiFePO4电池性能显著降低ꎬ限制了其在冬季和高寒地区中的使用ꎮ研究人员分析了低温下磷酸铁锂电池性能快速下降的原因ꎬ并提出解决办法ꎮ本文概述了提高磷酸铁锂电池低温性能的4个方法:1)脉冲电流ꎻ2)电解液添加剂ꎻ3)表面包覆ꎻ4)体相掺杂ꎮ关键词㊀锂离子电池ꎻ磷酸铁锂ꎻ低温性能ꎻ脉冲电流ꎻ阻抗中图分类号:O646.5㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1000 ̄0518(2020)04 ̄0380 ̄07DOI:10.11944/j.issn.1000 ̄0518.2020.04.2000052020 ̄01 ̄03收稿ꎬ2020 ̄02 ̄21修回ꎬ2020 ̄02 ̄24接受国家电网公司科技项目资助通讯联系人:金翼ꎬ高级工程师ꎻTel:010 ̄82814194ꎻE ̄mail:jinyi@epri.sgcc.com.cnꎻ研究方向:储能材料ꎬ电池和分布式能源系统共同通讯联系人:徐晔ꎬ教授ꎻTel:010 ̄82317732ꎻE ̄mail:ye.xu@buaa.edu.cnꎻ研究方向:软物质系统的物理和力学ꎬ生物力学ꎬ纳米材料的自组装以及涂层和表面工程共同通讯联系人:水江澜ꎬ教授ꎻTel:010 ̄82317132ꎻE ̄mail:shuijianglan@buaa.edu.cnꎻ研究方向:电催化剂ꎬ质子交换膜燃料电池和储氢材料清洁能源的存贮与转换对解决全球变暖有重要意义ꎬ在若干器件形式中锂离子电池(LithiumIonBatteriesꎬLIBs)以其功率大㊁能量密度高等优点得到了研究关注ꎬ并已经成功应用于纯电动汽车(ElectricVehiclesꎬEVs)㊁混合动力汽车(HybridElectricVehiclesꎬHEVs)和蓄能电站[1 ̄5]ꎮ正极材料是锂离子电池关键部分ꎬ必须满足容量高㊁稳定性强以及毒性低等要求ꎮ与其它正极材料(如LiCoO2㊁LiNiO2和LiMn2O4)相比ꎬLiFePO4电极材料具有许多优点ꎬ比如理论比容量较高(170mA h/g)㊁工作电压稳定(3 5V)㊁结构稳定㊁循环性好㊁原料成本低和环境友好等[6]ꎮ因而该材料是一种较为理想的正极材料ꎬ被选作动力电池的主要正极材料之一ꎮ许多科研工作者对LIBs低温下性能加速衰减现象进行了机理研究[7 ̄10]ꎬ认为主要是活性锂的沉积及其催化生长的固态电解质界面(SolidElectrolyteInterfaceꎬSEI)ꎬ导致了电解质中离子电导率的降低和电子迁移速率的下降ꎬ这种下降导致LIBs容量和功率的降低ꎬ有时甚至导致电池性能故障ꎮLIBs的低温工作环境主要发生在冬季以及高纬度㊁高海拔地区ꎬ那里的低温环境会影响LIBs的性能和寿命ꎬ甚至引发极为严重的安全问题[11 ̄12]ꎮ受低温影响ꎬ石墨嵌锂速度降低ꎬ容易在负极表面析出金属锂形成锂枝晶ꎬ穿刺隔膜ꎬ造成电池内部短路ꎮ因此ꎬ提高LIBs低温性能的办法对于在高寒地区推广使用电动汽车具有重要意义ꎮ本文从以下4个方面总结提高LiFePO4电池低温性能的办法:1)脉冲电流生热ꎻ2)使用电解液添加剂制备高品质SEI膜ꎻ3)表面包覆改性LiFePO4材料界面电导率ꎻ4)离子掺杂改性LiFePO4材料体相电导率ꎮ1 脉冲电流快速加热低温电池LIBs充电过程中ꎬ电解液中离子运动与极化会促使LIBs内部产生热量ꎬ这种生热机制可有效地用于提高LIBs在低温下的使用性能[13]ꎮ脉冲电流是指方向不变ꎬ电流强度或电压随时间周期性改变的电第37卷第4期应用化学Vol.37Iss.42020年4月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRY㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Apr.2020流ꎮ为了在低温下快速安全地升高电池温度ꎬDeJongh等[14]使用电路模型从理论上模拟了脉冲电流如何加热LIBsꎬ并通过商业LIBs的实验测试验证了模拟结果ꎮ连续充电和脉冲充电之间的发热差异如图1所示ꎮ由图1可以看出ꎬ微秒脉冲时间可以促进锂电池中产生更多的热量ꎮ图1㊀通过脉冲和连续充电模式产生的热量[14]Fig.1㊀Heatgeneratedbypulseandcontinuouschargingmodes[14]Zhao等[15]研究了脉冲电流对LiFePO4/MCMB电池的激发作用ꎬ研究发现脉冲电流激发结束后ꎬ电池表面温度从-10ħ上升到3ħꎬ并且与传统充电模式相比ꎬ整个充电时间减少了36min(23 4%)ꎬ在相同的放电速率下容量增加了7 1%ꎬ因此ꎬ该种充电模式有利于对低温LiFePO4电池快速充电ꎮZhu等[16]研究了脉冲电流加热方式对LiFePO4动力锂离子电池低温电池寿命(健康状态)的影响ꎬ他们分别研究了脉冲电流频率㊁电流强度和电压范围对电池温度的影响ꎬ如图2所示[16]ꎬ结果表明ꎬ较高的电流强度ꎬ较低的频率和较宽的电压范围会增强LIB的热量积聚和温升ꎮ此外ꎬ在240个加热循环后(每个循环等于-20ħ下脉冲加热1800s)ꎬ他们通过研究电池容量保持率和电化学阻抗来评估脉冲电流加热后的LIBs的健康状态(SOH)ꎬ并通过SEM和EDS研究了电池负极表面形貌变化ꎬ结果表明脉冲电流加热不会增加锂离子在负极表面的沉积ꎬ因此脉冲加热不会加剧锂沉积带来的容量衰减与锂枝晶生长的风险ꎮ图2㊀频率分别为30Hz(a)和1Hz(b)的脉冲电流以不同电流强度和电压范围对锂电池充电时电池温度随时间的变化[16]Fig.2㊀Changesinbatterytemperatureovertimewhenalithiumbatteryischargedbypulsecurrentsat30Hz(a)and1Hz(b)[16]2 电解液改性SEI膜以降低电解质 ̄电极界面的电荷转移电阻锂离子电池低温性能与电池内离子迁移率密切相关ꎬ而电极材料表面的SEI膜是影响锂离子迁移率的关键环节ꎮLiao等[17]研究了碳酸盐基电解质(1mol/L六氟磷酸锂LiPF6/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸183㊀第4期胡晨等:磷酸铁锂电池低温性能的改性方法简述283应用化学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第37卷㊀二甲酯(DMC)+碳酸二乙酯(DEC)+碳酸甲乙酯(EMC)ꎬ体积比为1ʒ1ʒ1ʒ3)对LiFePO4商用锂电池的低温性能的影响ꎮ在工作温度低于-20ħ时ꎬ电池的电化学性能降低明显ꎬ电化学阻抗谱(ElectrochemicalImpedanceSpectroscopyꎬEIS)测试表明ꎬ电荷转移电阻增加和锂离子扩散能力降低是电池性能降低的主要因素ꎮ因此ꎬ有望通过改变电解质来提高电解质 ̄电极界面的反应活性ꎬ进而改善LiFePO4电池的低温性能ꎮ图3㊀(a)在不同温度下LiFePO4电极的EISꎻ(b)LiFePO4EIS拟合的等效电路模型[17]Fig.3㊀(a)EISofLiFePO4electrodeatdifferenttemperaturesꎻ(b)EquivalentcircuitmodelforLiFePO4electrodeEISfitting[17]为了寻找有效提高LiFePO4电池低温电化学性能的电解液体系ꎬZhang等[18]尝试在电解液中加入LiBF4 ̄LiBOB混合盐ꎬ提高了LiFePO4电池低温循环性能ꎮ值得注意的是ꎬ仅当混合盐中LiBOB的摩尔分数小于10%时ꎬ才能实现优化的性能ꎮZhou等[19]将LiPF4(C2O4)(LiFOP)溶解到碳酸亚丙酯(PC)中作为LiFePO4/C电池的电解液ꎬ并与常用的LiPF6 ̄EC电解液体系进行了对比ꎮ实验发现ꎬ当电池在低温下循环时ꎬLIBs的第1次循环放电容量显着下降ꎻ同时ꎬEIS数据表明LiFOP/PC电解质是通过降低LIBs内部阻抗来提高LIBs的低温循环性能ꎮLi等[20]研究了两种二氟(草酸根)硼酸锂(LiODFB)电解质体系的电化学性能:LiODFB ̄DMS和LiODFB ̄SL/DMSꎬ与常用的LiPF6 ̄EC/DMC电解质进行电化学性能比较ꎬ发现LiODFB ̄SL/DMS和LiODFB ̄SL/DES电解质可以提高LiFePO4电池在低温下的循环稳定性能和倍率性能ꎮEIS研究发现ꎬLiODFB电解质有利于形成界面阻抗更低的SEI膜ꎬ促进离子的扩散与电荷的运动ꎬ从而提高LiFePO4电池的低温循环性能ꎮ因此ꎬ合适的电解液成份有利于降低电荷转移电阻ꎬ提高锂离子在电极材料界面处扩散速率ꎬ从而有效改善LIBs的低温性能ꎮ电解液添加剂也是调控SEI膜成分和结构ꎬ进而提高LIBs性能有效方法之一ꎮLiao等[21]研究了FEC对低温下LiFePO4电池的放电容量和倍率性能的影响ꎬ研究发现电解液中加入体积分数2%的FEC后ꎬLiFePO4电池在低温下表现出更高的放电容量和倍率性能ꎮSEM和XPS显示出了SEI的形成ꎬEIS结果表明ꎬ电解液中加入FEC能有效降低LiFePO4电池低温下的阻抗ꎬ所以电池性能的提升归因于SEI膜离子电导率的增加和LiFePO4电极极化的降低ꎮWu等[22]用XPS分析SEI膜ꎬ对相关机理进行了进一步深入研究ꎬ发现当FEC参与界面成膜时ꎬLiPF6和碳酸酯溶剂的分解被削弱ꎬ溶剂分解产生的LixPOyFz和碳酸盐物质的含量降低ꎬ从而在LiFePO4表面上生成阻抗低㊁结构致密的SEI膜ꎮ如图4所示ꎬ加入FEC后ꎬLiFePO4的CV曲线表明氧化/还原峰靠拢ꎬ表明添加FEC可以降低LiFePO4电极的极化ꎮ所以ꎬ改性的SEI促进了锂离子在电极/电解质界面的迁移ꎬ由此提高了LiFePO4电极的电化学性能ꎮ此外ꎬLiao等[23]研究还发现电解液中加入丁基磺内酯(BS)也具有类似的效果ꎬ即形成结构更薄㊁阻抗更低的图4㊀在-20ħ时LiFePO4电池在含有体积分数0%和10%FEC电解质中的循环伏安图[22]Fig.4㊀CyclicvoltammogramsofLiFePO4cellsat-20ħin0and10%(volumefraction)FECelectrolyte[22]SEI膜ꎬ提高锂离子通过SEI薄膜时的迁移速率ꎬ因此ꎬBS的加入明显提高了LiFePO4电池在低温下的容量和倍率性能ꎮ3㊀表面包覆导电层降低LiFePO4材料表面电阻低温环境下ꎬ锂电池性能下降的重要原因之一是电极界面处的阻抗增加和离子扩散速率降低ꎮLiFePO4表面包覆导电层可以有效降低电极材料间的接触电阻ꎬ从而提高低温下离子进出LiFePO4的扩散速率ꎮ如图5所示ꎬWu等[24]使用两种碳质材料(无定形碳和碳纳米管)包覆LiFePO4(LFP@C/CNT)ꎬ改性后的LFP@C/CNT具有出色的低温性能ꎬ在-25ħ放电时容量保持率约为71 4%ꎮEIS分析发现ꎬ这种性能的改善主要来源于LiFePO4电极材料的阻抗降低ꎮ图5㊀LFP@C/CNT纳米复合材料的HRTEM图(a)ꎬ结构示意图(b)及SEM图(c)[24]Fig.5㊀HRTEMimage(a)ꎬschematicdiagramofthestructure(b)andSEMimage(c)ofLFP@C/CNTnanocomposite[24]在众多的涂覆材料中ꎬ金属或金属氧化物纳米颗粒以其导电性优良ꎬ制备方法简单等优点吸引了众多科研工作者的注意ꎮYao等[25]研究了CeO2涂层对LiFeP4/C电池性能的影响ꎬ实验中CeO2颗粒均匀分布在LiFePO4的表面ꎬ在低温下ꎬ锂离子在CeO2改性的LiFePO4电极材料中的嵌入/脱嵌能力以及电极动力学得到明显改善ꎬ这归因于电极材料与集流体以及颗粒之间的接触改善ꎬ以及LiFePO4 ̄电解质界面中电荷转移的增加ꎬ这些因素降低了电极极化ꎮ与此相似ꎬJin等[26]利用V2O3的良好导电性ꎬ将其涂覆在LiFePO4表面ꎬ并测试了涂覆后样品的电化学性能ꎮ对锂离子的研究表明ꎬ良好导电性的V2O3层可以显着促进LiFePO4电极中的锂离子传输ꎬ由此V2O3改性的LiFePO4/C电池在低温环境表现出优异的电化学性能ꎬ如图6所示ꎮLin等[27]通过简单的电沉积(ED)工艺在LiFePO4材料的表面涂覆Sn纳米颗粒ꎬ并且系统地研究了Sn涂层对LiFePO4/C电池的电化学性能的影响ꎮSEM与EIS分析表明ꎬSn涂层提高了LiFePO4颗粒之间的接触ꎬ在低温下材料具有更低的电荷转移电阻和更高的锂扩散速率ꎬ因此ꎬSn涂层提高了383㊀第4期胡晨等:磷酸铁锂电池低温性能的改性方法简述483应用化学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第37卷㊀图6㊀表面包覆不同含量V2O3的LiFePO4在低温下的循环性能[26]Fig.6㊀LowtemperaturecyclingperformanceofLiFePO4withdifferentcontentsofV2O3coating[26]LiFePO4/C电池在低温下的比容量㊁循环性能和倍率性能ꎮ此外ꎬTang等[28]将掺杂铝的氧化锌(AZO)作为导电材料ꎬ涂覆在LiFePO4电极材料的表面ꎮ电化学测试结果表明ꎬAZO涂覆也可以大大提高LiFePO4的倍率性能和低温性能ꎬ这是由于导电AZO包覆增加了LiFePO4材料的电导率ꎮ4㊀体相掺杂降低LiFePO4电极材料体相电阻离子掺杂可以在LiFePO4橄榄石晶格结构中形成空位ꎬ促进了锂离子在材料中的扩散速率ꎬ从而提高LiFePO4电池的电化学活性ꎮZhang等[29]通过溶液浸渍工艺合成了镧和镁掺杂的Li0.99La0.01Fe0.9Mg0.1PO4/石墨气凝胶复合电极材料ꎬ该材料在低温下表现出优异的电化学性能ꎬ电化学阻抗实验结果表明ꎬ这种优异性主要归因于离子掺杂和石墨气凝胶涂层提高了材料的电子电导率ꎮHuang等[30]通过简单的固相反应制备了Mg和F共掺杂的LiFe0.92Mg0.08(PO4)0.99F0.03电极材料ꎬ结构和形貌表征结果表明ꎬMg和F可以均匀掺杂到LiFePO4晶格中而不改变电极材料的结构和粒径ꎮ与未经离子掺杂的LiFePO4材料ꎬ以及Mg或F单掺杂的LiFePO4材料相比ꎬ在低温下共掺杂的LiFePO4具有最佳的电化学性能ꎮEIS结果表明ꎬMg和F共掺杂增加了电子转移速率和离子传导速率ꎬ原因之一是Mg O键的长度短于Fe O键ꎬ从而导致锂离子扩散通道变宽ꎬ提高了LiFePO4的离子电导率ꎮWang等[31]通过液相沉淀反应合成了钐掺杂的LiFe1-xSmxPO4/C复合材料ꎮ结果表明ꎬ少量的Sm3+离子掺杂可以降低极化过电位和电荷转移电阻ꎬ从而提高LiFePO4的低温电化学性能ꎮCai等[32]通过悬浮混合法制备Ti3SiC2掺杂的LiFePO4电极材料ꎬ研究发现Ti3SiC2掺杂能有效提高低温下锂离子在LiFePO4电极材料界面处的转移速率ꎬ因此ꎬTi3SiC2掺杂的LiFePO4在低温下表现出优异的倍率性能和循环稳定性ꎮMa等[33]制备了Li3V2(PO4)3掺杂的LiFePO4电极材料(LFP ̄LVP)ꎬEIS结果表明ꎬLFP ̄LVP电极材料具有更低的电荷转移电阻ꎬ电荷转移加速提高了LiFePO4/C电池的低温电化学性能ꎮ5㊀结论及展望本文简要概述了提高磷酸铁锂电池低温性能的4种方法:脉冲电流生热ꎻ电解液改性表面SEI膜ꎻ表面包覆提高LiFePO4材料表面电导率ꎻ体相离子掺杂增进LiFePO4材料电导率ꎮ低温环境下ꎬLiFePO4电池中的界面电阻增加以及锂沉积而诱导的SEI膜生长是导致电池性能下降的主要原因ꎬ因此ꎬ提升其低温性能的关键在于安全稳定快速升温或降低阻抗ꎮ脉冲电流可以加速电解液中电荷的运动而产生热量ꎬ从而使LIBs快速升温ꎮ使用低阻抗的电解液体系或成膜添加剂有利于形成致密超薄高离子电导率的SEI膜ꎬ提高LiFePO4电极 ̄电解液界面反应阻力ꎬ降低低温导致的离子扩散减缓的负面影响ꎮLiFePO4材料的改性主要有两种方式:表面包覆与离子掺杂ꎮ表面包覆LiFePO4电极材料有利于提高电极材料的表面电导率ꎬ减小接触电阻ꎻ而离子掺杂有利于在晶格结构中形成空位和变价ꎬ拓宽离子扩散通道ꎬ促进锂离子和电子在材料中的迁移率ꎮ因此ꎬ基于上述分析ꎬ提高磷酸铁锂电池低温性能的关键在于降低电池内部的阻抗ꎮ参㊀考㊀文㊀献[1]WanXꎬLiuXFꎬLiYCꎬetal.Fe ̄N ̄CElectrocatalystwithDenseActiveSitesandEfficientMassTransportforHigh ̄performanceProtonExchangeMembraneFuelCells[J].NatCatalꎬ2019ꎬ2:259 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̄IonBatteryHUChenaꎬJINYia∗ꎬZHUShaoqingbꎬXUYeb∗ꎬSHUIJianglanc∗(aStateKeyLaboratoryofOperationandControlofRenewableEnergy&StorageSystemsꎬChinaElectricPowerResearchInstituteꎬBeijing100192ꎬChinaꎻbSchoolofMechanicalEngineering&AutomationꎻcSchoolofMaterialsScience&EngineeringꎬBeihangUniversityꎬBeijing100191ꎬChina)Abstract㊀Lithiumironphosphate(LiFePO4)electrodematerialhastheadvantagesofhighspecificcapacityꎬstableoperatingvoltageꎬlowcostandenvironmentalfriendliness.Itisregardedasanidealcathodematerialforlithiumionbatteriesandisoneofthemaincathodematerialsforelectricvehicles.HoweverꎬtheperformanceofLiFePO4batteriesdecreasessignificantlyatlowtemperaturesꎬlimitingtheiruseinwinterandcoldregions.Theresearchersanalyzedthereasonsandproposedsomesolutions.Thismini ̄reviewsummariesfourmethodsforperformanceimproveofLiFePO4batteryatlowtemperature:1)pulsecurrentꎻ2)electrolyteadditivesꎻ3)surfacecoatingꎻand4)bulkdopingofLiFePO4.Keywords㊀lithium ̄ionbatteryꎻlithiumironphosphateꎻlowtemperatureperformanceꎻpulsecurrentꎻimpedanceReceived2020 ̄01 ̄03ꎻRevised2020 ̄02 ̄21ꎻAccepted2020 ̄02 ̄24SupportedbytheScienceandTechnologyProgramofStateGridCorporationofChinaCorrespondingauthor:JINYiꎬseniorengineerꎻTel:010 ̄82814194ꎻE ̄mail:jinyi@epri.sgcc.com.cnꎻResearchinterests:ocusesonenergystoragematerialsꎬbatteriesanddistributingenergysystemsCo ̄correspondingauthor:XUYeꎬprofessorꎻTel:010 ̄82317732ꎻE ̄mail:ye.xu@buaa.edu.cnꎻResearchinterests:physicsandmechanicsofsoftmattersystemsꎬbiomechanicsꎬself ̄assemblyofnanomaterialsꎬandcoatingandsurfaceengineeringCo ̄correspondingauthor:SHUIJianglanꎬprofessorꎻTel:010 ̄82317132ꎻE ̄mail:shuijianglan@buaa.edu.cnꎻResearchinterests:electrocatalystsꎬprotonexchangemembranefuelcellsandhydrogenstoragematerials。
南极超低温环境下磷酸铁锂电池性能研究
南极超低温环境下磷酸铁锂电池性能研究马瑞骏;窦银科;裴玉晶;席晓琴;胡圣鹰【摘要】阐述了磷酸铁锂电池的结构及工作原理,利用高低温交变实验柜模拟南极低温环境,对磷酸铁锂电池在低温环境下进行了不同温度的充放电实验,通过分析实验数据,得出结论:当环境温度逐渐下降,磷酸铁锂电池的充放电性能显著下降,放电初始端电压下降,电池容量减少.在常温、-10、-20和-30℃环境温度下分别以2A电流进行恒流放电,磷酸铁锂电池的放电容量分别为75.1、67.7、39.3和26.5 Ah.在低温环境下,使用小电流充电可以提高电池的容量.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2018(042)012【总页数】4页(P1786-1789)【关键词】低温性能;磷酸铁锂电池;充电特性;放电特性;充放电容量【作者】马瑞骏;窦银科;裴玉晶;席晓琴;胡圣鹰【作者单位】太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原030024;太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原030024;太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原030024;太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原030024;太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TM912磷酸铁锂电池是目前市场上非常有潜力的锂离子电池,目前对磷酸铁锂电池的研究主要集中在电池管理系统和荷电状态估计方面,对于其性能还有待进一步的研究,尤其是低温性能。
当前用于南极科考的抛弃式设备基本上用铅酸蓄电池供电,污染严重,而磷酸铁锂电池的比功率和比能量高于铅酸电池,自放电率低且环保,更适用于南极地区[1]。
南极地区常年低温烈风,如位于南极海拔最高的昆仑站,年均温度-58.4℃,最低气温-82℃。
本文模拟了南极低温环境,对磷酸铁锂电池在不同低温环境下进行了充电和放电实验,并对实验结果进行分析,为电池选型和加热系统设计提供依据。
1 磷酸铁锂电池的结构及工作原理本实验以某公司生产的磷酸铁锂二次电池 (12 V,75 Ah)作为研究对象。
磷酸铁锂的低温性能
六、研究方案
我们先采用机械力化学法合成磷酸铁锂正极材料 之后对制备的磷酸铁锂进行适当改性,即在磷酸铁锂表面 包覆导电碳或加入少量的导电金属颗粒( 例如Cu、Ag、Ni), 和进行碳包覆。采用蔗糖作为碳源。 电解液采用研究在常用的Celgard 2300 多微孔的聚乙烯薄 膜和一定量的LiPF6、碳酸乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC) 按一定比例混合而成,涂渍在Al箔上。 采用中间相炭微球作为负极,采用膨胀是石墨层间距的方 法进行改性。组装电池之后进行材料表征及电池性能测试 25°C和-30°C范围内进行电池性能测试,循环伏安法测 试,测试并作出电化学阻抗谱,扫描电子显微镜和透射电 子显微镜对正负极材料进行观察,研究其微观结构,X射线 衍射观察正负极的晶型结构,
一、概述
磷酸铁锂也存在严重的缺点: (1)电子电导率低和锂离子扩散系数小。 (2)低温性能差影响其在低温特殊环境中的应用(如军事和航空 航天任务)。 (3)振实密度小磷酸铁锂的理论密度约为3.69/cm3,比其 他正极材料小得多(如钴酸锂的理论密度为5.19/cm3),同 时,由于实际中往往在磷酸铁锂中加入导电剂碳,这使得磷 酸铁锂正极材料振实密度一般只能达到1.0~1.39/cm3。 为了提高磷酸铁锂( LiFePO4 )电池的低温性能, 采用电导率较 高的碳纳米管作为磷酸铁锂电极的导电剂, 以LiFePO4 和金属 锂为正负极材料, 低温性能测试结果表明, 碳纳米管在电极中 易形成良好的导电网络, 减轻电极的极化, 能有效改善磷酸铁 锂电池的低温放电性能。
磷酸铁锂低温性能研究
李浩 2013,7
目录
一、概述 二、电池种类 三、改善性能的方法 四、磷酸铁锂橄榄石晶型 五、碳负极材料 六、研究方案
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低温改性磷酸铁锂电池实验方案
在电池制作过程中,试验从以下几点出发改善电池的低温性能:
1、正极箔材:利用表面涂有到点钛粉的铝箔替代原有箔材,提高电子导电率;
2、利用低温电解液;
3、与德方的低温正极材料按比例混合;
4、配料过程中掺杂碳纳米管;
5、增加电芯厚度;
6、利用孔隙率高的隔膜;
7、配料过程中添加一定量的石墨烯做导电剂;
HEV和EV中电池管理经验之谈
2011-10-09 20:24:04 来源:电子系统设计
就混合动力汽车(HEV) 和电动汽车(EV) 而言,使用锂离子电池,可在功率、能量密度、效率和环境影响之间取得最佳平衡。
但同时,锂离子电池也是易损坏和危险的,而汽车环境又相当棘手、难以应付。
混合动力汽车和电动汽车的电子产品面临的挑战是,弥补要求苛刻的汽车环境和电池敏感性之间的差距。
汽车环境的苛刻和电池的敏感堪称地狱中的绝配。
考虑到汽车对能量、功率和环境的要求,安全、可靠地使用大型锂离子电池组绝对不是一个简单的任务。
锂离子电池以满充电状态或满放电状态工作时,容量会降低。
考虑到循环往复的充电、组与组之间的差别和不同的环境条件,每节电池的容量都会随着时间推移而降低并产生偏离。
因此,电池组要实现15 年、5000 个充电周期的目标,每节电池都必须保持在有限的工作范围内工作。
通过控制每节锂离子电池的充电状态(SOC),可以最大限度地提高电池组的容量,同时最大限度地减轻容量的降低。
确保高效率、安全地使用汽车电池组,是电池管理系统(BMS) 的责任。
电池管理系统的任务是,仔细跟踪和控制每节电池的充电状态。
电池管理系统的测量准确度至关重要,因为它决定了每节电池能多么靠近其可靠充电状态范围的边缘工作。
最大限度地提高可用容量的能力决定了所需的电池数量,而电池数量对成本和重量有很大的影响。
准确地测量每节电池的电压相当困难,因为电池组中的电池易受高共模电压和高频噪声的影响。
为了理解这一点,我们想想以下事实:电动汽车/混合动力汽车的电池组通常电压非常高,由100 至200 个串联连接的电池组成。
这类电池组必须提供可能超过200A 的快速充电和放电电流,在电池组的顶端,电压瞬态有可能超过100V。
对成本和可靠性的关注导致汽车电子产品向集成度更高、组件数更少的方向发展。
在高度复杂的电池管理系统中,这种趋势尤其明显,在这类系统中,我们看到,诸如凌力尔特LTC6802 这类电池监视IC 已经出现。
在新式电池管理系统中,这类高度集成的器件是关键的数据采集组件,与之前的分立式解决方案相比,这类器件降低了成本、减少了所需占用的空间和组件数。
电池监视器的主要功能是,直接测量串联连接电池的电压,典型情况下每个IC 监视12 个通道。
这类IC 中还包括电池容量平衡控制和额外的测量输入(如用于温度的输入)。
为了应对高压电池组,这类器件一般设计为通过菊花链式串行接口相互通信。
在电池管理系统中,有一个组成部分一般不可能成功集成到电池监视IC 中,那就是嵌入式软件。
充电状态算法是受到严密保护的技术,是特定于化学组成、尺寸、外形、工作条件和应用的。
就新式高压、大功率电池组而言,现成有售的算法不可能有用,嵌入式软件使故障机制影响分析(FMEA) 变得复杂了,在使用嵌入式软件的情况下,系统设计师无法进行直接控制。
图1 说明了由任意节电池组成的电池模块的基本配置,其中电池组管理系统的算法是软件编码的,并由开发商独家控制。
图1:由很多节电池组成的电动汽车/ 混合动力汽车电池模块的基本拓扑。
电池监视IC 的一个关键考虑因素是,怎样处理将遇到的汽车噪声。
例如,很多电池监视器使用快速SAR 转换器实现电池的数字化,在超过100 个通道的数据采集系统中,这似乎是有利的。
然而,汽车环境是有噪声的,需要进行大量的滤波,而且这种滤波决定有效吞吐量,而不是采样率。
由于这个原因,增量累加(DS) ADC 比SAR 转换器有优势。
就给定的10kHz 噪声抑制量而言,每秒1000 次采样的DS ADC 提供的吞吐量与每秒100 万次采样的SAR ADC 提供的吞吐量相同。
例如,LTC6802 采用一个每秒1000 次采样的DS ADC,该ADC 在10ms 时间内可顺序对10 个输入通道采样。
内置的线性相位数字滤波器对10kHz 开关噪声提供36dB 的抑制。
要在10kHz 时获得相同的噪声抑制,每秒100 万次采样的SAR 转换器在每节电池上都需要一个转角频率为160Hz 的单极性RC 滤波器(参见图2)。
RC 滤波器的12 位稳定时间为8.4ms,即使SAR ADC 能在10us 时间内顺序对10 个通道采样,由于滤波器的响应,每8.4 ms 超过 1 次的扫描也是没有意义的。
图2:增量累加转换器和采用RC 电路的SAR 转换器的比较增量累加转换器以更好的滤波性能提供同样的有效吞吐量。
在一长串电池监视IC 的情况下,串行接口也是一个重要的考虑因素,凌力尔特提供两种截然不同的选择。
一种选择(也是大多数电池监视IC 所支持的) 是菊花链式接口。
采用菊花链式接口时,无需光耦合器
或隔离器,链中每个IC 就可与相邻IC 通信,只留下底部的器件与单个微处理器或控制单元连接。
此外,凌力尔特还提供第二种选择,即采用单独可寻址的串行接口。
采用这种接口,单个微控制器通过隔离与多个并联器件通信。
这种拓扑提供本身更加可靠的“星形配置”,因为失去与一个器件的通信不会隔断与其他任何器件的通信。
可寻址器件还可用在经过修改的菊花链式拓扑中,在这种拓扑中,相对昂贵的隔离器已经成为过去,取而代之的是不那么昂贵的“晶体管化”SPI 总线配置。
结果是具有极宽兼容范围的串行接口。
经过两年的生产并基于经过实践检验的设计,凌力尔特推出了第二代器件。
比较第一代和第二代器件,可以对未来高压电池系统的发展方向有一些深入的了解。
LTC6803 的主要目标之一是,即使在最极端的噪声情况下,也能确保无差错通信。
对所有命令和数据都进行包误差检测,以确保通信完整性。
LTC6803 系列继续支持菊花链式和单独可寻址串行通信,同时LTC6803 菊花链能承受超过20V 的AC 噪声和30V 的快速开关尖峰,而不会产生误差(图3)。
图3:第二代菊花链可抵抗强噪声。
LTC6803 有独立的电源输入,该输入可断接,同时其他连接保持完好无损(图4a)。
在这种硬件停机情况下,LTC6803 仅吸取几nA 的电流。
这对电池组的长期储存很重要,因为集成的电池管理系统消耗的电流有可能使电池组中的电池容量失衡。
LTC6803 还可以用一个独立的电源工作,从而允许从一个单独的电源而不是电池组吸取电源电流,如图4b 所示。
该器件还允许使用简单的断电功能。
此外,采用单独的电源时,即使所有电池的电压都已急剧下降(在使用超级电容器和燃料电池时可能出现),LTC6803 仍可继续监视大量电池。
图4c 说明了拥有独立电源输入的优点。
汽车中的电子产品日益增多,这促使产生了有关汽车电子产品质量和可靠性的新标准。
因此,出现了诸如AEC Q100、ISO 26262 等汽车电子产品标准。
这些标准转化成了广泛的限定条件和内部功能,以确保满足系统安全要求。
例如,LTC6803 是与ISO 26262 兼容的系统。
ISO 26262 是一个实用的安全标准,定义了汽车系统的安全要求,并对系统级设计问题产生影响,如冗余度、网络配置、数据收集、传感器,等等。
LTC6803 内置了导线开路检测、数字滤波器检查、多路复用器解码器检查功能以及看门狗定时器和一个备用电压基准,以实现全面的自测试能力。
图5:LTC6803 的内部自测试功能。
LTC6803 中还包括很多其他改进,以满足标准汽车设计之外的需求。
例如,LTC6803 提供扩展的-300mV 至5V 测量范围,该范围支持超级电容器和镍氢金属电池。
LTC6803 完全规格在-40°C 至125°C 的温度范围内工作,LTC6803 还设计成能承受高达75V 的电源电压,以提供超过20% 的过压裕度。
汽车环境对电子产品而言非常严酷,然而汽车的日益电气化也是无可辩驳的事实。
电动汽车和混合动力汽车中的锂离子电池系统不久就将成为主流,而诸如LTC6803 等尖端测量器件是锂离子电池系统取得成功所必不可少的。
不仅需要这类器件来实现准确测量,而且这些器件必须能在非常艰难的条件下长期可靠工作。
今天,凌力尔特的LTC6802 已经通过跑在路上的汽车证明,上述看法是正确的。
毫无疑问,在明天的汽车市场上,LTC6803 无疑将继续LTC6802 的辉煌。