锂离子电池在低温下会出现哪些问题你知道吗？

来源：宝鄂实业 2019-06-13 17:17 点击量：次

镍钴锰酸锂（LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）三元正极材料自发现以来引起了研究者的广泛关注。目前，镍钴锰酸锂正极材料已经被广泛应用和研究，但其在低温性能和倍率性能上的表现不尽人意，几乎只能在室温环境中工作，不能满足电池在极端温度和快速充放电条件下工作的需求。

鉴于此，世界各国科研机构都在积极探索改善极端条件下锂离子电池性能的新材料和新方法。近期，中国科学院新疆理化技术研究所特殊环境功能材料与器件重点实验室敏感器件部15级硕士生吕丁丁在副研究员王磊的指导下，设计合成了一种锂快离子导体包覆镍钴锰酸锂的复合正极材料。该复合材料显示出优越的低温性能和倍率性能：在-20℃温度条件下，保持127.7mAh/g的可逆容量，该容量远优于镍钴锰酸锂材料86.4mAh/g的容量，并且优于目前报道改性后镍钴锰酸锂材料的最高容量 (106mA h/g)；在1C的大电流密度下，循环100圈之后，保持具有141.7 mA h/g的容量。

　　研究发现，锂快离子导体均匀地包覆在镍钴锰酸锂表面，解决了电池在高电流密度循环过程中，电解液中HF侵蚀正极材料，造成材料性能快速衰减的难题。锂快离子导体玻璃具有优异的锂离子电导率，有效改善了锂离子在正极材料的扩散速率，为改善锂离子电池低温性能提供了新思路。耐低温锂电池正极材料能够满足人们在特殊环境条件下对储能和动力电池的需求，具有极高的商业应用价值。

　　该研究成果发表在《电化学学报》(Electro chimica Acta)上。相关研究工作得到国家自然科学基金、中科院“西部之光”项目等的资助。（来源新疆理化技术研究所）

锂离子电池在低温下会出现很多的问题，例如充放电容量低、衰减快、循环寿命低、倍率性能差、析出锂金属明显、脱嵌锂离子不平衡等。制约锂离子低温性能的原因不仅在于正极材料一方面，还存在以下几方面原因：

(1) 低温下电解液黏度增大，甚至部分凝固，导致离子电导率低；

(2) 低温下电解液与负极、隔膜之间相容性变差；

(3) 低温下负极析锂严重，且析出的金属锂与电解液反应，其产物沉积导致固态电解质界面(SEI)厚度增加；

(4) 低温下锂离子在活性物质内部扩散系数降低，电荷转移阻抗(Rct)显著增大。

影响电池低温性能的原因有很多，但是对于绝大部分体系而言，低温时电荷传递速率和锂离子扩散速率的下降，是导致锂离子电池低温性能欠佳的主要原因，并且在相同条件下Rct比RSEI 对温度更为敏感。另外，电荷转移和Li+在活性物质中的扩散对低温性能的影响程度，与体系有关。一般而言，正极Li+扩散起主导作用，而负极受Rct 影响更大。

老高锂电提醒大家冬天尽可能把心爱的锂电池提回家，不要在车棚或者楼下冻的，这样对你的电池寿命和续航有很大的影响。

那么锂电池常用的NCM三元正极材料，其低温特性是怎样的呢？镍钴锰三元正极材料型号有很多，包括NCM111/NCM523/NCM622/NCM721/NCM811等，他们均是层状结构。层状结构，既拥有一维锂离子扩散通道所不可比拟的倍率性能，又拥有三维通道的结构稳定性，最早商用的正极材料就是层状的钴酸锂，此后逐渐掺杂改性进化为现在常用的NCM三元材料。

谢晓华等以LiCoO2/MCMB 为研究对象，测试了其低温充放电特性。结果显示，随着温度的降低，其放电平台由3.762 V (0 ℃)下降到3.207 V(–30 ℃)；其电池总容量也由78.98 mA·h (0 ℃)锐减到68.55 mA·h (–30 ℃)。类似现象也见于陈继涛等的研究报道。

三元材料以其高容量、低成本深受青睐，对其低温性能的研究亦方兴未艾。Smart 等研究了三元富锂材料(Li1+x(Co1/3Ni1/3Mn1/3)1-xO2)在低温电解质下的电化学性能，发现，不同组成的低温电解质，其容量均随温度降低出现衰减，且温度越低，这种容量衰减的趋势越严重。例如对1.0 mol/L LiPF6/EC: EMC(20:80)而言，在0.2C，–40 ℃时放电容量能够达到室温的52%，而–50 ℃时仅为室温的28%。