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目前,商品化磷酸鐵鋰(LiFePO4)正極鋰離子電池的實驗室測試常溫循環壽命可達1500~2400次,但越來越多的研究表明,電池在高溫下的循環性能衰減迅速,電動汽車的工作環境復雜,動力系統通常為多只電池經串、并聯而成的電池組,受安裝位置、通風條件和高倍率充放電需求等影響,結合路面行駛的環境條件,熱積累導致的高溫環境是電動汽車用鋰離子電池不可避免的應用條件。本文作者結合電動車用電池的使用需求,對LiFePO4正.極鋰離子電池的高溫循環性能進行研究,探討了循環壽命快速衰減的原因及機理。
結果與討論:溫度對電池循環性能的影響樣品A制備的電池在常溫和高溫下的循環性能見。從表可知,電池在常溫下循環1800次,內阻增加了34.9% ,厚度增加了14. 1%。這是因為負極石墨材料在反復充放電的過程中,石墨層間的收縮導致電極膨脹,體積增加。體積膨脹導致的電極結構破壞及石墨表面固體電解質相界面( SEI)膜的增加,是電池內阻變大的主要原因。當電池在60 C下充放電時,僅200次循環,內阻就增大了137.0%,厚度增加了55.1%。考慮到無夾緊工裝固定時電池加熱鼓脹的影響,測量高溫擱置后電池的厚度,為7.9 mm,增幅僅1.3%。
僅在高溫下擱置的電池,厚度增幅很小,說明高溫循環不僅加速了石墨表面SEI膜的成膜速度,也加速了石墨的層間膨脹過程。有研究認為:高溫會使LiFePO4電極材料中的鐵元素加速溶解于LiPF6 酸性電解液中,分解后的亞鐵離子(Fe2+)通過電解液傳導,沉積于電池負極石墨的表面,在隨后的循環過程中,會催化SEI膜的成長。當SEI膜變厚時,不僅會.使電池阻抗增加,還會使電解液無法接觸到石墨表面,導致參與反應的活性材料減少,并延長Li+傳輸的距離,阻礙充放電過程中的傳質過程。
結論.本文作者對不同LiFePO4材料制備的鋰離子電池的高溫60 C充放電性能進行研究,并對比了補加電解液的結果。LiFePO,正極鋰離子電池的高溫循環性能表現不足,容量衰減迅速,僅200次左右即衰減至初始容量的70%;電解液匱乏不是LiFePO4正極鋰離子電池容量衰減迅速的主要原因,但將直接影響電池的高溫循環性能;為改善LiFePO4正極鋰離子電池的高溫循環性能,應重點研究可抑制鐵元素溶解的電解液(如LiBOB電解液)、陽極材料(如Li4TisO12),以減少鐵元素的溶解沉積。在LiFePO4正極鋰離子電池的應用中,應合理設計安放位置控制使用環境溫度,必要時可采用適當的冷卻措施,進行熱管理,避免在高溫環境中進行充放電,以盡可能地延長.使用壽命。