中國粉體網(wǎng)訊 在冬季,自嘲“凍死狗”的人們裹緊了大衣,想盡力留住被風(fēng)撩撥的一絲溫度。而最尷尬的事情莫過于,當(dāng)你想駕愛車似古人御風(fēng)而行的時候,電動汽車“罷工”了!在冬季,動力電池對溫暖的渴望,不亞于人們在冰天雪地里圍爐取暖的念想。
低溫是電動汽車在我國大北方、高寒地區(qū)等地推廣的一個障礙,更是動力電池企業(yè)的一塊心病,攻克動力電池的耐低溫問題,一直是業(yè)內(nèi)重點努力的方向之一。
微觀看低溫對動力電池的影響
許多動力電池為什么一到冬季就不行了?在低溫環(huán)境里,它的內(nèi)部究竟發(fā)生了什么?
以電動客車上使用最多的磷酸鐵鋰電池為例,這種電池安全性高,單體壽命較長,但低溫性能比其他技術(shù)體系的電池略差。低溫對磷酸鐵鋰的正負(fù)極、電解液和粘接劑等都存在影響。比如,磷酸鐵鋰正極本身電子導(dǎo)電性比較差,低溫環(huán)境下容易產(chǎn)生極化,從而降低電池容量;受低溫影響,石墨嵌鋰速度降低,容易在負(fù)極表面析出金屬鋰,如果充電后擱置時間不足而投入使用,金屬鋰無法全部再次嵌入石墨內(nèi)部,部分金屬鋰持續(xù)存在負(fù)極的表面,極有可能形成鋰枝晶,影響電池安全;低溫環(huán)境下,電解液黏度會增加,鋰離子遷移阻抗也會隨之增大;此外,在磷酸鐵鋰的生產(chǎn)工藝中,粘接劑也是一個非常關(guān)鍵的因素,低溫對粘接劑的性能也會產(chǎn)生較大影響。
低溫帶來的另外一個問題,反映到用戶端就是充電時間延長。在低溫下充電,電池容易析鋰,所以充電之前,一般要對電池進行緩慢加熱,等電池溫度升高至正常溫度后再進行充電。
多維度攻克耐低溫難題
解決電池的耐低溫問題,通常從電池材料、電芯設(shè)計及PACK制造三方面著手,提高鋰離子電池的低溫充放電性能和循環(huán)壽命。桑頓新能源研發(fā)部總經(jīng)理苗力孝向電池中國網(wǎng)介紹了動力電池的耐低溫解決方案。
目前,汽車動力電池常見的正極材料以三元和磷酸鐵鋰為主,可通過減小粒徑,采用納米技術(shù)使得材料的一次顆粒納米化,從而縮短鋰離子的遷移路徑;磷酸鐵鋰可以通過摻雜La(La是鑭的元素符號)、Mg,增大C軸,改變層間距,增大鋰離子傳輸通道;在三元NCM表面包覆LBO-S快離子導(dǎo)體(也稱超離子導(dǎo)體,有時又稱固體電解質(zhì),它區(qū)別于一般離子導(dǎo)體的最基本特征,即在一定的溫度范圍內(nèi)具有能與液體電解質(zhì)相比擬的離子電導(dǎo)率),以減少SEI的形成,使鋰離子的傳輸直接可以通過快離子導(dǎo)體進出材料本體。
對于負(fù)極材料,現(xiàn)有石墨負(fù)極材料可通過包覆、表面氧化、摻雜或包覆其它元素,來增加石墨層間距,加快鋰離子在負(fù)極表面的去溶劑化速度,從而改善鋰離子嵌入石墨負(fù)極的速度。苗力孝表示,開發(fā)鋰合金、錫基負(fù)極等新型負(fù)極材料,可大大改善鋰離子電池的低溫性能。
電解液主要分為鋰鹽、溶劑和添加劑三部分。苗力孝介紹,關(guān)于鋰鹽,可添加硼酸鹽,有助于在材料表面形成穩(wěn)定的SEI膜,并有利于鋰離子的擴散;關(guān)于溶劑,可通過配置一個合理的比例,改善電解液溶劑的低溫性能;關(guān)于添加劑,通過添加不同的添加劑,對電池的低溫性能也有不同的改善作用。據(jù)了解,桑頓新能源有專門的團隊,專注于電解液配方研發(fā),以解決動力電池的耐低溫問題。目前,桑頓新能源研發(fā)的三元鋰電池,其耐低溫性能有了較大提高,電芯可在零下20℃環(huán)境下放電,能夠滿足電動汽車在寒冷環(huán)境下的運行需求。
此外,鵬輝能源的動力電池可以在-20~60℃的環(huán)境中使用,且不需要加熱和冷卻系統(tǒng)。山東威能是一家專業(yè)從事軍用低溫磷酸鐵鋰電池的研發(fā)、生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè),與中科院化學(xué)所合作研發(fā)、生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池低溫性能實現(xiàn)重大突破,在低溫-40℃能夠放出額定容量的90%以上。
推廣新能源汽車 低溫是挑戰(zhàn)更是機會
作為鋰電池之一種,鈦酸鋰電池的耐低溫性能則比較優(yōu)異。尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料嵌鋰電位約1.5V,不會形成鋰枝晶,在充放電過程中體積應(yīng)變小于1%。納米化的鈦酸鋰電池可大電流充放電,實現(xiàn)了低溫快充的同時又保障了電池的耐久性和安全性。
電池中國網(wǎng)最新消息,2017年11月28日,在這個天寒地凍季節(jié),銀隆新能源生產(chǎn)的純電動公交車在北方城市天津正式投入運營,這再次彰顯了銀隆新能源鈦酸鋰電池優(yōu)異的耐低溫性能。主打鈦酸鋰電池的銀隆新能源,其產(chǎn)品具備在-50~60℃溫度范圍的正常充放電能力,公司生產(chǎn)的公交車已在哈爾濱、天津、石家莊、銀川、保定、邯鄲等全國40多個城市實現(xiàn)了商業(yè)化運營,耐低溫效果良好。鈦酸鋰電池憑借其優(yōu)異的耐低溫性能,成為我國在寒冷地區(qū)推廣新能源汽車的先鋒,銀隆新能源是鈦酸鋰電池走向更廣市場的星星之火。
2017年7月31日,在北京市延慶區(qū)電動公交車運營啟動儀式上,50輛搭載微宏動力快充電池系統(tǒng)的純電動公交車交付北京公交集團并投入運營。此次交付的50輛純電動公交車搭載微宏動力生產(chǎn)的快充電池,能量密度高,續(xù)航里程更長。至此,微宏動力已在北京市場配套超過千輛各類公交車型。2017年9月19日,70輛搭載微宏MpCO鋰電池的12米氣電混合動力公交車正式在內(nèi)蒙古包頭上線。該地區(qū)最低氣溫在-30℃以下,最高氣溫可達(dá)39℃,包頭選用微宏快充電池系統(tǒng),正是考慮到微宏快充電池優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性。微宏動力對寒冷地區(qū)公交市場的開拓如火如荼,它也是業(yè)內(nèi)探索動力電池耐低溫技術(shù)的一個典型代表。
解決耐低溫問題 仍需技術(shù)驅(qū)動
動力電池的低溫問題,還有很多解決方案,比如,所謂的“全氣候電池”,在正負(fù)極片之間加入加熱片,通過開關(guān)進行電路控制,實現(xiàn)對電池的加熱。這種內(nèi)加熱的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部加熱,并且能耗更低。全氣候電池在續(xù)航能力、充電時間以及使用壽命方面有了大幅改善。
從微觀層面解決動力電池的耐低溫問題,比如從電池材料上攻克耐低溫難題,仍需依靠技術(shù)驅(qū)動,抓住電池“怕”低溫的病根,對癥下藥,這樣解決也更為徹底。
目前,很多三元鋰電池也具備了耐低溫的特性,鈦酸鋰電池更是耐低溫性能中的佼佼者,電動汽車推廣存在的低溫瓶頸也將逐步得到解決。