锂离子电池低温性能影响因素的探讨

2019 No.18

Electric System电力系统

Electric Power System Equipment电力系统装备

锂离子电池低温性能影响因素的探讨

胡红英，刘素琴

（中南大学化学化工学院，湖南长沙 410083）

［摘 要］为了研究锂离子电池低温性能的影响因素，本文选取正极材料粒径大小、正负极压实密度作为研究指标，提出实验研究。实验结果表明，正极材料的粒径大小、正负极的压实均对其低温性能影响较大，选取细小颗粒作为正极材料，正负极设计较小压实密度，有利于电池低温性能的提升。［关键词］低温性能；正极材料粒径；正负极压实密度［中图分类号］TM76　　　　　［文献标志码］B　　　　　［文章编号］1001–523X（2019）18–0036–02

Discussion on Influencing Factors of Low Temperature

Performance of Lithium Ion Batteries

Hu Hong-ying，Liu Su-qin

［Abstract］In order to study the factors affecting the low temperature performance of lithium ion batteries, the particle size of cathode materials and the compaction density of cathode and cathode are selected as the research indicators, and experimental research is put forward. The experimental results show that the size of the cathode material and the compaction of the positive and negative poles have great influence on the low temperature performance of the battery. Fine particles are selected as the cathode material, and the compaction density of the positive and negative poles is smaller, which is conducive to the improvement of the low temperature performance of the battery.

［Keywords］low temperature performance; particle size of cathode material; compaction density of cathode and cathode随着锂离子电池市场化不断深入，人们对电池性能的期下3个方面的因素：（1）低温下电解液的粘度增大，电导率降低；望越来越高。目前商品化锂离子电池已很难满足诸如电动车、（2）电解液/电极界面膜阻抗和电荷转移阻抗增大；（3）锂离航天技术和军事等重要领域的需要，主要原因之一就是电池子在活性物质本体中的迁移速率降低。由此造成低温下电极在高、低温下的性能不佳，因此拓宽工作温度范围已成为锂极化加剧，充放电容量减小[5]。离子电池研究者关注的重点问题。本文将采用实验分析法，2 电池的制备探究其低温性能影响因素。为了很好地对比电池的性能，选择704570聚合物锂离子1 锂离子电池低温充放电机理分析以及低温放电机理电池，按下述配方，将97.0%：1.2%：0.8%：1.0%的钴酸锂、

以正极钴酸锂，负极石墨为例，锂离子电池充电时正负PVDF、导电剂碳黑Super P、导电液CNT与溶剂NMP混合

[3]

极的反应如下。均匀制成正极浆料。将质量比为94.4%：1.0%：2.4%：2.2%

+-正极反应方程式：LiCoO2→ Li1-x CoO2+xLi+xe的人造石墨、粘结剂（羧甲基纤维素钠CMC、丁苯橡胶）和

+-负极反应方程式：xLi+xe+6C →LixC6导电碳黑Super P与去离子水混合均匀制成负极浆料。将正极

+

在电池充电时，正极钴酸锂的部分 Li脱离晶格进入电浆料涂覆在铝箔上；负极浆料混合均匀涂覆在铜箔上，涂覆解液中，迁移到负极活性物质碳的晶格之中（嵌入），生成 好的负极片经制片、卷绕、烘烤，将合格的电芯注入电解液，

+

LixC6 化合物。在这个过程中，Li在电场和浓度梯度的作用化成、分容，测试等工序。下从正极迁移、扩散到负极，这使锂在石墨内部的固相扩散3 测试仪器容易成为整个电极反应的控制步骤。目前，研究者对造成锂所需测试仪器如表1所示。离子电池低温性能差的主要因素尚有争论，但究其原因有以

功率比较低，机组经济性就比较差。多阀控制下，各个调节阀按照相关的顺序有计划地动作，从而改变汽轮机的进汽面积。在低负荷运行时，只有一个（或两个）阀门有节流损失，其余阀门全打开或全关上，这样调节功率较高，机组经济性较好。但这样的情况下汽轮机的进汽不均匀，汽缸和转子的受热度也不均匀，而且在改变负荷时调节级后蒸汽温度变化不同，热应力较大，运行灵活性较差[2]。

在此情况下，利用热工控制系统中的阀门控制逻辑可以实现单阀控制和顺序阀控制的无扰切换，使汽轮机在运行时任一负荷区段的效率达到最高，减少机组的节流损失，从而提高机组变负荷运行的经济性，减少煤耗。

4.3 热工控制系统对蒸汽参数的调节

机组运行中每项小指标参数偏离基准值时机组煤耗率会有所变化，同时变工况运行时除流量外蒸汽参数可能会偏离设计值。蒸汽参数在规定范围内变化在运行中是允许的，虽

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然这种小变动不会影响机组的安全性，但会引起汽轮机功率和煤耗变化，从而影响机组的经济性[3]。通过火电厂热工控制系统中燃烧控制、主蒸汽压力、温度控制等对PID串级控制的优化，以及采用模糊控制技术等方法，大大提高主蒸汽参数的调节品质，保证其始终维持在设计参数，提高电厂经济效益，保证机组安全运行。5 结语

火力发电机组是我国能源结构中的重要部分，煤耗作为其重要经济指标不但影响着火电企业的经济效益，也关系着火电企业环境污染指标。通过对火力发电机组中的热工控制系统的应用及控制策略优化，不仅能实现节能减排的目标，还能提高企业的生产效率和经济效益。

参考文献

[1] 李岩，武庆源，王鹏.汽轮机进汽参数改变对机组经济性的影响[J].东北电力技术，2010（7）：5.

电力系统装备

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2019年第18期

2019 No.18

表1 测试仪器

设备名称设备规格设备厂家泰斯电压内阻测试仪BTS-100深圳泰斯电子有限公司新威电池测试柜CT-4008-5V100A-NTFA深圳市新威尔电子有限公司

带温控万用表M17B+美国福禄克Fluke高低温箱

MHU-100L

东莞剑乔试验设备有限公司

4 锂离子电池低温性能影响因素实验分析

4.1 正极材料对锂离子电池低温性能影响分析

正极材料是制造锂离子电池的关键材料之一，其性能直接影响电池的各项指标。本文以两种不同粒径的正极材料为例，探究正极材料的粒径对电池低温性能的影响，此实验负极材料为人造石墨。

表2 不同正极材料的颗粒大小

序号材料名称D50/μmA108R6.0±1.0B

LC400

9.5±1.5

测试结果如表3所示。

表3 低温环境下两种电池放电数据对比

材料-30℃低温放电25℃常温放电低温/常温名称容量（mAh）

容量（mAh）

（%）

108R2193.92607.891.8LC400

1979.2

2621.0

71.7

两种电池循环曲线

2650hAm2600/量2550容250024500100200

300400500600

次数/n

108RLC400

图1 常温环境下两种电池循环数据对比

低温条件下，电解液导电能力明显下降，导致离子迁移困难。低温下电解液的粘度增大，电导率降低，锂离子电池在低温放电时，电化学反应主要受扩散控制，此时，锂离子在电池的内部电化学体系中的扩散是反应控制步骤[1]。材料的粒径小，锂离子的迁移路径短，极化小，扩散速度快，而材料粒径大的材料则相反，路径较长。通过观察表3中的统计结果可知，正极采用不同D50大小制作成的电池，A组和B组在-30℃放电容量分别为25℃时的91.8%和71.7%，A组正极低温-30℃放电性能更优越。由此可以判断，选择粒径相对较小的正极材料，有利于低温性能的提升。从图1的500周循环数据看，A组108R的循环保持率略优于B组LC400的保持率。

4.2 制作工艺对锂离子电池低温性能影响分析

锂离子电池制作工艺较为复杂，涉及到的影响因素较多，例如，粘结剂类型、压实密度、面密度大小等。本文选取正极压实密度、负极压实密度作为主要影响因素，通过实验设计，探究正负压实密度因素对电池低温性能的影响。

（1）正极压实密度影响分析。

本次实验选取上述A组正极材料108R作为主要实验材料，控制电解液和其他材料不变，以电池制作工艺中的压实密度作为变量，通过调节压实密度大小，探究电池低温性能影响情况。如表4所示为不同压实工艺下的电池低温放电数据统计结果。

表4 不同压实工艺下的电池低温放电数对比

压实电池内阻-30℃低温放电25℃常温放电保持率（g/cm3）（mΩ）容量（mAh）

容量（mAh）

（%）3.6523.782453.02637.793.03.7524.512302.12652.386.83.85

25.78

1952.6

2628.1

74.3

正极极片采用不同设计压实3.65 g/cm3，3.75 g/cm3，3.85 g/cm3制作成704570聚合物锂离子电池，25℃条件下 0.2C放电的容量相差不大。而从表4看出，在-30℃低温放电的时候不同正极压实制作成的704570聚合物锂离子电池，电池低温放电容量相差较大。正极压实3.65 g/cm3制作的电池-30℃低温放电容量与25℃放电容量比率93.0%，对比压实3.75 g/cm3制作的电池低温-30℃放电容量比率高6.2%。当正极压实提升到3.85 g/cm3制作的电池低温-30℃放电对比25℃放电容量比率下降到74.3%，明显下降。从表4看出，正极压实密度的增加，低温放电容量明显降低。因此，在特定范围内，通过控制电池材料压实密度，能够在一定程度上提高电池低温性能。需要强调的是，压实密度不宜过大，否则就会对电池低温性能造成不良影响，与调节目的背道而驰。（2）负极压实密度影响分析。

正极选择湖南杉杉生产的108R材料，负极选用上海杉杉生产的FSN-1材料，负极面密度选择为7.8 mg/cm2，其他设计工艺均一样，电池经过分容、老化后进行常温和低温 0.2C放电容量测试，探究其对电池低温性能的影响。

表5 不同负极压实密度低温放电数据对比

压实电池内阻-30℃放电25℃放电保持率（g/cm3）（mΩ）容量（mAh）容量（mAh）（%）1.4523.542441.52631.092.81.5024.512119.42623.180.81.55

25.10

1513.9

2610.2

58.0

从表5可以看出，负极采用不同设计压实1.45 g/cm3，1.50 g/cm3，1.55 g/cm3

制作成704570型聚合物锂离子电池25℃条件下放电的容量相差不大。负极压实1.45 g/cm3、1.50 g/cm3、1.55g/cm3

制作的电池-30℃低温放电容量比25℃放电容量比率分别为92.%，80.8%，58.0%，差异较大。负极压实越低，越有利于低温放电。5 总结

（1）正极材料颗粒大小影响锂离子电池的低温放电性能。选择D50更小的正极材料有助于电池的低温放电，正极材料D50为6.0 μm明显优于D50为9.5 μm，设计超低温的电池D50为6.0 μm更为合适。

（2）正负极压实密度大小的设计与704570聚合物锂离子电池的低温放电性能呈正相关关系。压实密度越小，越有利于锂离子电池的低温放电。满足704570型聚合物锂离子电池的 -30℃放电性能正极压实≤3.75 mg/cm3，负极压实≤1.5 mg/cm3。

（3）对比研究了锂离子电池在常温和低温条件下的放电行为。结果表明：在低温（-30 ℃）条件下，电池的放电性能显著变差，放电容量明显减小。研究表明：低温条件下，锂离子在正负极中的传输是限制电池电化学性能的主要因素。和常温相比，电池低温放电平台的降低，说明温度降低导致放电过程中正负极颗粒内外层极化增大，即锂离子在正负极固体颗粒中传输阻抗增大，导致放电过程中电池电压过早达到放电终止电压，放电容量也相应减小[4]。

参考文献

[1] 洪波，闫霄林，洪树，等.宽温域锂离子电池功能电解液的研究进展[J].中国有色金属学报，2017，27（6）：1208-1221.[2] 聂开俊，吴大军.电动汽车磷酸铁锂电池低温特性研究[J].电源技术，2018（7）：50-53，60.[3] 郭炳锟，徐徽，王先友.锂离子电池[M].长沙：中南大学出版社，2002.[4] 陈继涛，周恒辉，倪江锋，等.C/LiCoO2系锂离子电池低温充放电性[J].电池，2004，34（2）：90-92.[5] 顾月茹，赵卫明，苏长虎，等.锂离子电池低温性能改善研究进展[J].电池，2018，24（5）19-23.

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