从电极入手解决冬季续航里程焦虑!磷酸铁锂电池或能重大突破


前不久,比亚迪宣布将旗下大部分在售纯电动、混动车型的动力电池单元更换为安全性能更出色的磷酸铁锂刀片电池,标志着以磷酸铁锂为电芯材质的动力电池技术或将再次成为新能源汽车的主流选择。

然而在我国北方,冬季寒潮带来的持续性低温一直都是阻碍电动车推广的重要因素,更是动力电池行业发展的一块心病。攻克动力磷酸铁锂电池的耐低温问题,一直是业内技术重点发展方向之一。

磷酸铁锂电极的材料特性

正极材料是锂离子电池的关键部分,必须满足容量高、稳定性强以及毒性低等要求。与其它正极材料相比,LiFePO4(磷酸铁锂)电极材料具有理论比容量较高、工作电压稳定、结构稳定、循环性好、原料成本低和环境友好等优点。因此该材料是一种较为理想的正极材料,被选作动力电池的主要正极材料之一。

由于磷酸铁锂正极本身电子导电性比较差,低温环境下容易产生极化,从而降低电池容量;受低温影响,石墨嵌锂速度降低,容易在负极表面析出金属锂,如果充电后搁置时间不足而投入使用,金属锂无法全部再次嵌入石墨内部,部分金属锂持续存在负极的表面,极有可能形成锂枝晶,影响电池安全。

低温环境下,锂电池性能下降的重要原因之一是电极界面处的阻抗增加和离子扩散速率降低。LiFePO4表面包覆导电层可以有效降低电极材料间的接触电阻,从而提高低温下离子进出LiFePO4的扩散速率,使用两种碳质材料(无定形碳和碳纳米管)包覆LiFePO4,改性后的阳极材料具有出色的低温性能,在-25℃放电时容量保持率约为71.4%。EIS分析发现,这种性能的改善主要是因为LiFePO4电极材料的阻抗降低。

碳包覆或将改变

磷酸铁锂“惧寒”现状

新型多碳源技术用于提高碳包覆层的石墨化程度,利用含有碳源的金属元素形成金属掺杂碳包覆层,能有效提高LiFePO4的导电效率和电化学性能。初步试验利用提前制备的公斤级试验样品,制作成2Ah的软包电池,然后循环充放电3000次以上来研究长期循环性能。

当木质素磺酸钙被用作碳源之一时,在LiFePO4颗粒表面形成掺杂钙的一层薄碳,可以减少LiFePO4与电解质的副反应,提高电极的稳定性。此外,木质素磺酸钙热解后的残碳层中可能存在大量的羟基、羰基、羧基和甲基等活性官能团,有利于电解质渗透到电极中。与固相法制备的LiFePO4/C复合材料相比,水热法制备的LiFePO4/C复合材料具有优异的倍率性能、循环寿命和低温性能,能大幅优化磷酸铁锂电池的充放电特性。

另外,离子掺杂方法可以在LiFePO4电极的石晶格结构中形成空位,促进了锂离子在材料中的扩散速率,从而提高LiFePO4电池的电化学活性。通过溶液浸渍工艺合成了镧和镁掺杂的石墨气凝胶复合电极材料,该材料在低温下表现出优异的电化学性能,电化学阻抗实验结果表明,这种优异性主要归因于离子掺杂和石墨气凝胶涂层提高了材料的电子电导率。

目前,电极包覆工艺是通过简单的电沉积(ED)工艺在LiFePO4材料的表面涂覆Sn纳米颗粒来实现的,SEM与EIS分析表明,Sn涂层提高了LiFePO4颗粒之间的接触,在低温下材料具有更低的电荷转移电阻和更高的锂扩散速率。Sn涂层提高了LiFePO4/C电池在低温下的比容量、循环性能和倍率性能。此外,将掺杂铝的氧化锌(AZO)作为导电材料,涂覆在LiFePO4电极材料的表面。电化学测试结果表明,AZO涂覆也可以大大提高LiFePO4的倍率性能和低温性能,这是由于导电AZO包覆增加了LiFePO4材料的电导率。

车叔点评

改善磷酸铁锂电池低温性能不足的方法有很多种,而文中出现的阳极离子包覆技术以及电解液离子掺杂技术目前是投入成本最低,效果最好的两种方法,这两种技术在原理上有一定的共通性,这无疑能大幅降低电池技术综合研发成本,为磷酸铁锂电池的发展提供了可行的商用化道路。‍

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