新能源汽车用锂离子二次电池低温性能的研究进展

新能源汽车用锂离子二次电池低温性能的研究进展
当前汽车用启动电池大部分为铅酸电池，但铅酸电池比能量低、铅污染问题严重，使用寿命约为 2~3 年。用锂离子电池替代铅酸电池作为汽车启动电池，环境污染小，具有较高的功率密度和 5 年以上使用寿命。众所周知，普通锂离子电池低温性能差，在极寒条件(－40 ℃以下)几乎无法充放电。为此，亟需开发出功率密度高、低温放电性能优异的新型锂离子启动电池。

锂离子电池低温性能受电解液和正负极材料影响。开发低温锂离子启动电池，首先要从电解液和正、负极材料改性入手，以提升锂离子电池的低温放电容量、功率密度、循环寿命等性能。

锂电池低温性能主要与电解液的低温导电能力、锂离子在活性电极材料中的扩散能力、电极界面性质有关。电解液、正极材料、导电剂和粘结剂对锂离子及电子的迁移有较大的影响。

锂离子电池低温性能差的原因主要有以下几个方面：

(1)低温下电解液的黏度增大，甚至部分变为凝固态，致使离子电导率显著降低；

(2)低温下电解液与负极、隔膜的相容性变差，影响锂离子的正常传输；

(3)低温下锂离子在活性电极材料内部的扩散能力下降，电荷转移阻抗显著增大；

(4)低温下负极易析锂，析出的锂易与电解液反应，其产物沉积导致电极- 电解质界面膜(SEI)厚度增加。

因此，为提升锂离子启动电池的低温性能，应主要从以下几方面展开工作：(1)提升电解液在低温条件下的离子电导率；(2)提高低温下锂离子在活性物质中的扩散能力；(3)在电极-电解质界面形成薄且致密的SEI 膜。

正极材料

正极材料低温特性的研究及应用展望早期的研究主要集中在改良电解液的低温特性。随着研究的深入，人们发现，锂离子在正极材料中的扩散能力在很大程度上影响着电池的低温性能。从而，有研究者从正极材料着手改善低温锂离子启动电池的性能。正极材料对锂离子电池低温性能的影响主要与正极材料的种类、颗粒大小和形貌有关。研究表明，由于LiCoO2的小颗粒可加强正极与电解液的接触，同时还可以抑制物理破碎，从而极大改善了电池的低温特性。文献中对于LiFePO4体系的低温特性研究较多，而对于LiCoO2和三元正极材料低温特性的研究相对较少。相比而言，LiFePO4的离子电导率低的问题对低温电池性能的影响就更为显著。颗粒的纳米化、包覆或掺杂改性、导电剂的添加可有效改善正极材料的低温性能。

通过控制正极材料的颗粒大小和形貌、包覆或掺杂改性，以增强锂离子通道顺畅程度、内部结构的稳定性和电极- 电解液界面的稳定性，是提升低温启动电池的功率密度、容量和循环寿命的重要途径。

负极材料

负极材料低温特性的研究及应用展望低温环境下锂离子电池负极材料反应活性下降，极化严重，负极表面金属锂大量沉积，从而严重影响电池的低温性能。因此，改善锂离子启动电池的低温性能，应解决低温下负极材电荷转移阻抗增大以及锂离子扩散系数减小的问题。表面包覆或体相掺杂[(如石墨)是改善负极材料低温性能的主要手段。结果表明，Sn 包覆的石墨负极具有最优的低温性能：－30 ℃时电池比容量可达170 mAh/g；而在相同条件下，以普通石墨作负极的电池几乎无容量。

改善负极材料的结构稳定性和界面性质(如通过金属掺杂或包覆、结构致密化处理等)，抑制极化现象和锂的析出，是从负极材料方面提升锂离子启动电池低温性能的主要手段。

总结与展望

开发高性能的低温锂离子启动电池，应在现有研究基础上，通过电解液的低温优化以及正、负极材料的低温改性，进一步提升低温锂离子启动电池的放电容量、功率密度、使用寿命等特性。其他因素如导电剂的种类和含量，电极的厚度、表面积，电极密度，电极与电解液的润湿性及隔膜等[19]，均会对锂离子电池低温性能有一定的影响。在电极制备过程中，也需要适当地从这些方面考虑，选择合适的技术手段，进一步提升启动电池的低温性能。