リチウムイオン電池の特性は、特に利用可能なエネルギーと電力が大幅に減衰する低温環境では、周囲温度の影響を大きく受けます。低温環境で長期間使用すると、リチウムイオン電池の経年劣化が加速します。電池とその寿命を短くします。
新エネルギー車産業の急速な発展に伴い、その潜在的な問題のいくつかが浮上し始めています。
たとえば、電気自動車が低温環境で走行すると、リチウムイオン電池やモーターなどの主要部品の停電が発生します。
テスラモデル、日産リーフ、シボレーボルト、BAIC新エネルギーEVシリーズなどの純粋な電気自動車の走行距離と充電および放電性能は、低温環境によって深刻な課題に直面していることがわかります。
電気自動車の普及に伴い、航続距離、充電時間、使用の安全性は、主にリチウムイオン電池の特性によって制限されます。
リチウムイオン電池の特性は、特に利用可能なエネルギーと電力が大幅に減衰する低温環境では、周囲温度の影響を大きく受けます。低温環境で長期間使用すると、リチウムの老化が加速します。イオン電池とその寿命を短くします。
電気自動車に一般的に使用されているリチウムイオン電池の容量と動作電圧は-10°Cで大幅に低下し、-20°Cでは性能がさらに低下します。これは、利用可能な放電容量が低下することを示していますシャープに、そしてそれは室温で特定の容量の30％しか維持することができません。 約。
また、低温環境でリチウムイオン電池を充電することは困難であり、充電中に負極の表面に金属リチウムが付着しやすくなります。 リチウムデンドライトの成長は、バッテリーセパレーターを貫通し、バッテリーの内部短絡を引き起こします。これは、バッテリーに恒久的な損傷を与えるだけでなく、バッテリーの熱暴走を引き起こし、使用の安全性を大幅に低下させます。
では、リチウムイオンの低温性能を制限する要因は何でしょうか。
リチウムイオン電池の低温充電特性
リチウムイオンの低温性能を知りたい場合は、リチウムイオン電池の低温特性をテストして分析することができます。 リチウムイオン電池の低温特性をテストするために、さまざまな仕様と材料のリチウムイオン電池を使用して、低温放電、充電、ACインピーダンステストなどのテストを行うことができます。
リチウムイオン電池の充電を開始すると、電池の端子電圧が瞬時に上昇し、温度が低いほど、リチウムイオン電池の充電開始電圧が高くなります。 低温では、端子電圧の上昇が速くなり、すぐにカットオフ電圧に達し、定電圧充電段階に入ります。
温度が下がると、リチウムイオン電池の定電流充電時間が短くなり、定電圧相の充電時間が長くなり、総充電時間も長くなります。 そのため、同じ充電でリチウムイオン電池の充電時間が大幅に長くなります。
異なる温度環境において、リチウムイオン電池の充電容量の試験結果は、定電流段の充電容量と定電圧段の充電容量に分けられます。 同じ充電カットオフ条件の同じバッテリーの場合、温度が下がると、リチウムイオンパワーバッテリーの全体的な充電量は減少傾向を示します。
設定充電モードでは、温度が下がると、リチウムイオン電池の定電圧段の充電量が増えます。 そのため、温度が下がると、主に定電圧で充電するリチウムイオン電池の定電流充電能力が低下します。 定電圧段階での長期充電は、リチウムイオン電池の全体的な充電時間を延長し、充電時間の効率を低下させ、長期充電を行います。 低温および定電圧充電も、リチウムイオン電池の副反応の性能低下の理由のXNUMXつです。
リチウムイオン電池を低温で使用すると、エネルギーと電力の特性が大幅に低下します。 マクロの観点から、リチウムイオン電池の低温性能は、温度の低下に伴い、リチウムイオン電池のインピーダンスが増加し、放電電圧プラットフォームが減少し、電池の端子電圧が急速に低下することを示しています。大量の利用可能な容量と電力で。 減衰。
リチウムイオン電池は、低温で大電流放電を実現するのが難しいだけでなく、電池のインピーダンスが高くなるため、充電電圧が急激に上昇し、電池が充電保護終端電圧に達するまでの時間が短縮されます、そのため、充電が難しく、充電効率が低いという欠点があります。
微視的には、リチウムイオン電池の低温特性は、主に低温での電池内部の電解質の低イオン伝導率、低温での電池電極の電気化学的反応速度の低下、低温および低温での電池負極の黒鉛粒子表面のSEI膜の導電率。 電池の負極の黒鉛材料粒子中のリチウムイオンの低い固相拡散係数などの要因の制約下で。
したがって、低温でのリチウムイオン電池の性能は、最初に電池の電解質に関係しています。 リチウムイオン電池の電解質溶媒は、電解質の液相線温度範囲に直接影響を与えるだけでなく、SEI膜を形成する反応にも直接関与します。
電解液の導電率は低温で低下し、沈殿したリチウム金属は低温充電により電解液と反応しやすくなり、リチウムイオン電池の低温性能がさらに低下します。
低温での電池の内部電極のSEI膜の抵抗の増加は、リチウムイオン電池の低温性能を低下させるもうXNUMXつの要因です。 低温では、電池の内部電極のSEI膜の抵抗が増加し、リチウムイオン電池の利用可能な電力が減少します。
低温充電中、負極粒子の表面に金属リチウムが析出し、リチウム金属と電解質の反応によりSEI膜が厚くなります。 一方では、バッテリーのSEIフィルムインピーダンスが増加し、他方では、負極で利用可能な活性リチウムイオンの減少は、リチウムイオンパワーバッテリーの不可逆的な容量低下につながる可能性があります。
低温では、リチウムイオン電池の電気化学反応速度が低下し、電荷移動の内部抵抗が大幅に増加します。 電気化学的オーム内部抵抗およびSEIフィルムインピーダンスと比較して、バッテリーの電気化学的反応プロセスに対する温度制御の影響はより明白であり、電荷移動内部抵抗は温度の低下とともに指数関数的に増加します。 イオン電池の電力性能が低下する主な理由。
アノードグラファイト中のリチウムイオンの固相拡散係数の低下も、リチウムイオンパワーバッテリーの低温性能の低下につながる主な要因のXNUMXつです。 低温でのアノードグラファイト中のリチウムイオンの固相拡散係数の低下は、リチウムイオンパワーバッテリーの容量特性の劣化につながる主な速度制御ステップです。
バッテリーを低温で充電すると、拡散係数が小さいと、負極グラファイト内のリチウムイオンの拡散プロセスが妨げられ、負極粒子の表面に「リチウム堆積」が発生しやすくなり、永久的な損傷が発生します。バッテリー。
リチウムイオン電池の低温放電特性
18650型ニッケルコバルトマンガン系リチウムイオン電池、リン酸鉄リチウム系リチウムイオン電池、ニッケルコバルトマンガン系リチウムイオン電池を例にとり、放電試験を行います。 25℃の環境で、100個のリチウムイオン電池を定電流、定電圧で充電し、SOC（余電力）を4％にした後、異なる温度でXNUMX時間放置し、電池の温度を待ちます。設定温度に到達します。 次に、対応するテストを実行します。
低温での電池の放電特性を研究するために、1つの異なる材料システムの下で異なる仕様のリチウムイオン電池を使用して、異なる温度と異なる速度（2C、3C）で電圧を放電し、XNUMXつを使用することができます特性の異なるリチウムイオン電池。 図XNUMXに示すように、定格容量と電流レートを使用して、リチウムイオン電池の特性を均一に分析します。
周囲温度の低下に伴い、電池の放電電圧は急激に低下し、リチウムイオン電池の電力特性は低下します。 温度が下がると、リチウムイオン電池がカットオフ電圧に達するまでの時間が短くなり、使用可能な容量が大幅に減少していることがわかります。 。
比較すると、同じ温度で、リン酸鉄リチウムシステムのリチウムイオン電池の減衰率は、18650ニッケル-コバルト-マンガン系リチウムイオン電池の減衰率よりも高いことがわかります。材料特性。 リン酸鉄リチウム材料の固有の低温伝導性は低く、リチウムイオン電池の低温特性を大幅に減衰させます。
したがって、温度が低いほど、リチウムイオン電池の初期端子電圧の低下が大きくなります。 温度が下がると、リチウムイオン電池のインピーダンスが上がり、電池の内部抵抗の分圧が上がるため、電池の端子電圧が下がります。
リチウムイオン電池の低温放電の初期段階では、放電プロセス中のリチウムイオン電池の発熱が主な原因で、端子電圧がリバウンドしました。
リチウムイオン電池の電力と容量の特性に対する温度と放電率の影響を完全に理解するために、図に示すように、異なる放電率と温度での6つのリチウムイオン電池の利用可能な容量比を分析できます。 XNUMX。
温度が下がると、リチウムイオン電池の利用可能な容量が減少します。 リチウムイオン電池の容量は、周囲温度が下がると大幅に低下します。 18650型ニッケル-コバルト-マンガン系リチウムイオン電池は、50℃で25Cの放電容量、0.5Cの放電容量で-1℃で放電容量の約30％に減衰すると、2C定電流放電容量は0。
データ比較によると、同じ温度で、リン酸鉄リチウム系リチウムイオン電池の減衰率は、18650ニッケルコバルトマンガン系リチウムイオン電池の減衰率よりも高くなっています。これは、リン酸鉄リチウム材料。
リチウムイオン電池の初期放電端子電圧は、温度だけでなく放電率にも影響されます。 温度が下がると、リチウムイオン電池の初期放電端子電圧は低下し続けます。これは主に、温度が下がり、リチウムイオン電池の内部抵抗が増加し、リチウムイオン電池の内部電圧が上昇するためです。増加します。
さらに、温度が下がるにつれて、さまざまなレートでのリチウムイオンパワーバッテリーの初期端子電圧の違いもより明白になります。 温度-30℃、0.5Cレート放電の初期電圧は6.8℃の初期電圧よりわずか25％低く、1Cレート放電の初期電圧は12.7℃、25Cレートの初期電圧より約2％低くなっています。放電電圧は22.8℃での初期放電電圧と比較して25％近く低下しました。
低温および高速放電では、リチウムイオン電池の出力電圧も大幅に減衰し、リチウムイオン電池の出力に影響を与えます。 車両の動作条件下では、主に車両の加速および上昇特性に影響を与えます。
リチウムイオン電池の低温電気化学インピーダンス特性
電気化学インピーダンス分光法（EIS）は、ACインピーダンス分光法とも呼ばれ、特定の周波数範囲の電気化学システムに小振幅の正弦波AC信号（電圧または電流）を印加することにより、周波数の変化を測定します。 AC電圧と電流信号の比率の方法。
この方法は、他の従来の電気化学的方法よりも電極界面の構造と速度論に関するより多くの情報を得ることができるため、リチウムイオン電池の内部メカニズムを研究するために広く使用されています。
高周波オームインピーダンスは、温度が下がると増加します。 高周波および中周波インピーダンスは、温度の低下とともに徐々に拡大します。 したがって、固液界面の膜抵抗と電荷移動の内部抵抗が増加します。
18650型ニッケルコバルトマンガン系リチウムイオン電池は、低温では拡散がなくなり、-20℃では室温の数倍になります。
したがって、極超短波領域（10 kHz以上）は、活物質の粒子を介した電子の輸送と、活物質の粒子間の電解質中のリチウムイオンの輸送を表します。これは、スペクトルとEISスペクトルの実軸。電気化学的オーム内部抵抗R0として定義されます。
高周波領域の活物質粒子の表面にあるSEIフィルムを介したリチウムイオンの拡散と移動は、インピーダンスマップ上に半円弧として表示されます。 このプロセスは、インピーダンスモデルのRSEI/CSEI並列構造に同等に置き換えられます。
中間周波数領域での電気化学反応に関連するインピーダンスアークには、電荷移動と電気二重層の充電と放電のXNUMXつのプロセスが含まれます。 電荷移動プロセスは、固相電極と電解質の相互界面で発生します。 このプロセスはファラデーの法則に従うため、ファラデープロセスとも呼ばれます。
電荷移動の過程で、電荷の移動速度はファラデー電流に反映されます。 一般に、電荷移動プロセスは、電荷移動内部抵抗またはファラデー抵抗と呼ばれる純粋な抵抗と同等であり、Rctで表されます。
電気二重層の充放電プロセスは、ファラデープロセスとも呼ばれます。 このプロセスは、固相電極と液相電解質界面の接合部でも発生し、静電容量と同様の物理的構造を形成し、それによって電極の界面電気二重層を形成します。 静電容量Cdlはを表します。
低周波領域は、主に活物質粒子中のリチウムイオンの拡散過程によるものです。 電気化学反応が起こると、ファラデー電流が固相電極と電解質の間の界面を通って流れ、その結果、反応物が消費され、界面に生成物が蓄積し、固相と液相の間に濃度差が生じます。
多孔質電極理論によれば、固相電極は、特定の多孔性を有する球状粒子であると想定されている。 反応が続くと、粒子内の物質の蓄積が増加し、界面の内外の物質の濃度勾配が減少し、物質の拡散速度が低下します。 スロー。
電極上の物質がゆっくりと定常状態に拡散すると、安定した濃度分極、つまり電池内部のリチウムイオン濃度分布の違いによる分極現象が発生します。
一般に、半無限拡散インピーダンスWeberインピーダンスZWは、拡散プロセスを表すために使用できます。 電極表面の幾何学的要因と吸着の存在を考慮すると、それはまた、記号ZDで表される定相要素で表されます。
EISのテスト範囲は100kHz〜0.01 Hzであるため、EISスペクトルでは、超低周波領域または新しい相の形成に関連する半円の活物質粒子の結晶構造に変化は見られません。 図9のaに示すように、ACインピーダンススペクトル分析ソフトウェアZViewを使用して、バッテリーインピーダンスパラメーターR0、RSEI、およびRctを適合させて識別し、XNUMXつのインピーダンス値を水平方向に従って計算および取得できます。インピーダンススペクトルの軸。
インピーダンスは温度の低下とともに増加し、その中でR0とRSEIは温度とともに比較的滑らかに変化し、インピーダンス値は温度の低下とともにあまり増加しません。 ただし、Rctは温度の低下とともに大幅に増加します。 R0とRSEIは主に電解質のイオン伝導度の影響を受けるため、温度変化の法則は、温度による電解質のイオン伝導度の法則と似ています。
一般に、低温環境で動作する新エネルギー車の問題を解決するには、リチウムイオン電池の性能から始める必要があります。
Kehengリチウム電池エンジニアチームは、リチウム電池の低温という不利な要因を目指して、このリチウム電池の欠陥を効果的に解決できる低温および極寒環境での電池自己発熱機能を開発しました。 自己発熱は、リン酸鉄リチウムディープサイクルバッテリーのオプション機能です。 すべてのKehengリン酸鉄リチウム電池は、自己発熱機能に加えて、Bluetooth機能とBMSシステム携帯電話APP監視機能を装備することができます。
