试述低温锂电池的研究现状及应用

　　摘 要 当前我国电池行业的发展水平显著提高，低温锂离子电池能量密度较高，而高负载容量电极材料的开发是保证其能量密度优势的关键。可逆电极材料应以层结构或隧道结构等开放结构较为显著的材料作为首选，进而有效延长电池的使用寿命。
　　关键词 低温锂离子电池；电极材料；使用寿命
　　如今动力电池的科技含量越来越高，其性能优势也越来越明显。低温锂电池充分满足了这一发展趋势。低温锂电池的应用为人们提供了较大的便利，同时也使锂电池的消耗量显著增加，研究人员应加大研究力度，提高其应用效率。
　　1 锂电池分类
　　现阶段，电池主要有两种形式，一种是液态电池，一种是聚合物电池。业态锂电池有正负极，其主要采用层间化合物，以供电方式来划分，其可分为充电电池和不可充电电池。可充电电池电量不足时可以充电的方式继续使用，可充电电池具有储蓄电能的功能，这也是其最为显著的特征。无法充电的电池称为一次性电池，其无法储存电能。锂电池体积不大，操作便捷，且该电池材料具有特殊性，其质量较小，环保性较强、可循环利用。因此，其也成为当前较为理想的能源。以正负极分类，锂聚合物电池可分为锂离子LIB以及聚合物PLB[1]。
　　2 低温锂电池的研究现状
　　2.1 锂离子电池的低温特性
　　锂离子电池在低温下使用存在着诸多问题，比如容量低、衰减严重、循环倍率性能差、析锂现象明显、脱嵌锂不平衡等。研究发现，制约锂离子电池低温性能的因素主要有以下几点：
　　低温条件下锂电池存在容量较低，衰减明显，循环倍率性能差等问题，这主要是由于锂电池在低温条件下电解黏度明显提高，部分电解质甚至出现凝固现象，进而影响了电导率。低温条件下，电解液和负极隔膜间的相容性较差。低温环境中，负极析锂较为严重，同时析出的金属锂与电解液发生化学反应，产物导致电解质界面加厚。
　　2.2 锂离子电池正极材料的低温特性
　　如按照锂离子扩散的通道来划分正极材料，其可分为一维、二维和三维三种不同的结构形式，早期的研究的重点是采取有效措施改良电解液的低温特性。现如今，研究日渐深入，人们逐渐发现电池的低温性能与锂离子在正极的扩散系数存在一定关系，并以此为基础开展了多项有关正极材料低温性能的研究。
　　（1）层状结构正极材料
　　层状结构不仅具有一维锂离子扩散通道不具备的倍率性能，还具有三维通道结构的稳定性优势。其也是出现最早的一种商用离子电池正极材料。其以LiCoO2、Li（Co1-xNix）O2和Li（Ni，Co，Mn）O2为代表物质，LiCoO2用作商业的时间较早，因此，研究人员对其也开展了大量研究。研究人员将LiCoO2/MCMB作为研究对象，测试了物质的低温充放电特性，研究结果显示，温度降低时，物质的放电平台电压及电池总容量明显下降。
　　（2）尖晶石结构正极材料
　　与层状结构正极材料相比，尖晶石结构正极材料不含Co元素，所以其应用的成本较低，环保优势明显，但是锰的价态容易变化，同时Mn3+本身具有Jahn-Teller效应，因此，这种成分结构稳定性和可逆性较差。研究人员指出，不同的方式对LiMn2O4正极材料的化学性能具有较大影响，如Rct，高温固相法合成方法下形成的LiMn2O4的Rct较溶胶凝胶法合成的Rct更高。同时这种现象在锂离子扩散系数当中也有着明显体现。出现这一现象主要是因为不同的合成方式会直接影响产物的结晶度及外观，且低温条件下LiMn2O4具有容量低、循环性差和明显的极化问题。
　　（3）磷酸盐体系正极材料
　　LiFePO4体积的稳定性较强，安全性优势明显，其与三元材料共同构成了当前动力电池正极材料的结构体系。研究人员对低温下LiFePO4进行充放电行为发现，其库伦效率和放电电压隨着温度的下降不断下降。研究人员应用纳米碳对LiFePO4予以改性处理后发现，添加了适量的纳米碳导电剂后，LiFePO4的化学性能明显下降，且其电池效率也处于较低水平。部分研究人员采用数值模拟的方式研究了LiFePO4的低温性能，研究后发现锂离子的扩散系数若小于0.05μm2/s就会发生比容量明显下降的问题。
　　3 低温锂电池未来的发展趋势
　　为了带动锂电池的快速发展，应积极采取多种方式实现技术创新。工艺创新可有效降低电池制造生产的成本投入，增强锂电池的稳定性，并增大锂电池的循环利用率。站在技术的角度来看，低温锂电池发展中应充分发挥锂电池无污染绿色环保的优势，研发出更具使用价值和发展前景的动力电池。且采用全新的科学技术以及材料工艺，研发出更加安全的低温锂电池，有效减少锂电池的成本投入。再者，还要不断增强锂电池的安全性。若要进一步发展锂电池的商用性能，则需及时更新和调整行业内的运行管理模式，满足锂电池生产的基本要求。
　　按照国家发改委的要求，我国将更加重视社会公共停车场在服务区等多个领域创建充电桩，此时，钛锂电池的优势也更加凸出。而且在未来的发展中，充电网络的全方位覆盖会使内部设置钛酸锂电池的电动车更加灵活地充电，人们也不会过度重视钛酸锂电池的能量密度要求。另外，我国日后的补贴政策也将发生较大的变化，补贴的力度会逐年递减，因此，在未来的发展中，单次循环的成本也会大幅降低，钛酸锂电池的安全性和可靠性会显著提升，在多个领域均可展现出其优势，同时也会成为日后能源发展中的标杆。除了新能源汽车的发展，钛酸锂电池在蓄能和轨道交通领域也将发挥其自身优势，并有效带动轨道交通的建设与发展。
　　在未来，随着气象条件变化的风力发电及光伏发电的频率会产生较大的变化。在我国的东北地区，使用9C充电，10C放电，当列车驶入车站后，电池系统会自动吸收列车减速过程中所产生的牵引能。且加速离开车站时所释放的能量也可被系统吸收。由于动车对电池的低温性能、安全性能有着十分严格的要求，所以，钛酸锂电池在未来的发展中可能会成为动车启动及备用电源的首选。
　　4 结束语
　　低温锂电池是一种全新的动力能源，虽然该技术还需要不断地发展和完善，但是该技术具有良好的发展前景。现如今，我国科学技术发展水平显著提高，低温锂电池技术也将不断发展和改进，且因其强大的优势将会在更多的领域中得以广泛应用，充分发挥出其作用与价值。
　　参考文献
　　[1] 袁美蓉，赵世玺，郭双桃.低温锂电池的研究应用现状[J].化工管理，2016，（30）：86.

推荐访问:锂电池 低温 现状及 研究