影響低溫鐵锂電池的因素
導電性差、锂離子擴散速度慢。高倍率充放電時,實際比容量低,這個問題是制約磷酸鐵锂電池發展的一個難點。磷酸鐵锂之所以這麽晚還沒有大範圍的應用,這是一個主要的問題。但是,導電性差目前已經得到比較完美的解決:就是添加C或其它導電劑。目前在實際生産過程中通過在前驅體添加有機碳源和高價金屬離子聯合摻雜的辦法來改善材料的導電性(A123、煙台卓能正采用這種方法),研究表明,磷酸鐵锂的電導率提高了7個數量級,使磷酸鐵锂具備了和鑽酸锂相近的電導特性。實驗室報道當0.1C充放電時,可以達到165mAh/g以上的比容量,實際達到135-145mAh/g,基本接近鑽酸锂的水平;但是锂離子擴散速度慢的問題到目前仍然沒有得到較好的解決,目前采取的解決方案主要有納米化LiFePO4晶粒,從而減少锂離子在晶粒中的擴散距離,再者就是摻雜改善锂離子的擴散通道,後一種方法看起來效果並不明顯。納米化已經有較多的研究,但是難以應用到實際的工業生産中,目前只有A123宣稱掌握了LiFePO4的納米化産業技術。
振實密度較低。一般只能達到0.8-1.3,低的振實密度可以說是磷酸鐵锂的很大缺點。所有磷酸鐵锂正極材料決定了它在小型電池如手機電池等沒有優勢,所以其使用範圍受到一定程度的限制。即使它的成本低,安全性能好,穩定性好,循環次數高,但如果體積太大,也只能小量的取代鑽酸锂。但這一缺點在動力電池方面不會突出。因此,磷酸鐵锂主要是用來制作動力電池。
磷酸鐵锂電池低温性能差。尽管人们通过各种方法(例如锂位、铁位、甚至磷酸位的掺杂改善离子和电子导电性能,通过改善一次或二次颗粒的粒径及形貌控制有效反应面积、通过加入额外的导电剂增加电子导电性等)改善磷酸铁锂的低温性能,但是磷酸铁锂材料的固有特点,决定其低温性能劣于锰酸锂等其他正极材料。一般情况下,对于单只电芯(注意是单只而非电池组,对于电池组而言,实测的低温性能可能会略高,这与散热条件有关)而言,其0℃时的容量保持率约60~70%,-10℃时为40~55%,-20℃时为20~40%。这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。当前一些厂家通过改进电解液体系、改进正极配方、改进材料性能和改善电芯结构设计等使磷酸铁锂的低温性能有所提升,但还未真正满足需求。
电池存在一致性问题。单体磷酸鐵锂電池寿命目前超过2000次,但电池组的寿命会大打折扣,有可能是500次。因为电池组是由大量单体电池串并而成,其工作状态好比一群人用绳子绑在一起跑步,即使每个人都是短跑健将,如果大家的动作一致性不高,队伍就跑不快,整体速度甚至比跑得最慢的单个选手的速度还要慢。电池组同理,只有在电池性能高度一致时,寿命发挥才能接近单体电池的水平。而在现有的条件下,由于种种原因,制作出来的电池一致性不佳,进而影响到电池的使用性能和整体寿命,因此应用在动力汽车上存在一定障碍。
影響電池産品一致性的因素主要有三點:
1)原材料的品質:特別是磷酸鐵锂材料系新生事物,其制造設備、合成工藝都不安全成熟、品質易出現波動,導致電池産品一致性受到影響。
2)生产环境:磷酸鐵锂電池做诶一个化工原料众多、工艺繁杂的高科技产品,其生产环境对温度、湿度、粉尘等都有很高的要求,如果没有控制到位,电池品质将出现波动。
3)制造設備:生産過程中手工的成分越少、設備自動化程度越高,電池一致性越好。
因此,磷酸鐵锂電池要做到一致性好,关键是:1)原材料的把握;2)精密的电池生产设备;3)对工艺制作及流程的关键位有精细的控制模式;还有重要一点的是,配料过程的控制,特别是浆料的均匀一致性特别重要,在每个步骤都要做到充分均匀。也就是说,只要生产工艺实现标准化,磷酸鐵锂電池的一致性问题可以得到有效解决。
制造成本高。磷酸鐵锂具有安全性、環保性、循環次數高等優點是毋庸置疑的,但目前的制造成本相對鉛酸電池、錳酸锂電池要高,主要是工藝和技術方面的原因,致使材料的産能和良率不高。但通過合適的制備設備、制備工藝和元素摻雜的方法,這一問題可以得到有效解決。
LiFePO4活性材料粒徑的大小對電池的低溫放電性能影響較大。粒徑減小,一方面锂離子在LiFePO4材料內部擴散路徑減小,另一方面材料的活性比表面積增大,電化學反應活性增加,因此,小粒徑的LiFePO4電池在-30℃以低倍率放電時中點電壓高于大粒徑的LiFePO4電池。
但是,當電池在低溫大倍率放電時,顆粒與顆粒之間的接觸電阻會成爲影響電池低溫放電性能的主要因素[5],與大粒徑的LiFepO4材料相比,小粒徑的LiFepO4材料其顆粒與顆粒之間的接觸點數量增加,電阻亦會增加,因此小粒徑的LiFePO4電池的低溫大倍率放電中點電壓反而低于大粒徑的LiFePO4電池。
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