鉅大LARGE | 點擊量：1904次 | 2021年04月13日
太陽能路燈鋰離子電池低溫下可以正常使用嗎
低溫下太陽能路燈鋰離子電池容量發(fā)揮不好，會受到影響，隨著溫度越低，實際表現(xiàn)出來的容量越低。正規(guī)產(chǎn)品，在-20℃的情況下，發(fā)揮出的容量相當(dāng)于常溫環(huán)境下的60~75%（非正規(guī)鋰離子電池可能更低）。
鋰離子電池低溫放電只是實際放出容量的大小，最關(guān)鍵的是鋰離子電池不適宜在0℃以下充電，這是致命的，否則會有較大的安全隱患！因此，在高寒地區(qū)的路燈鋰離子電池或者采用地埋式，或者新增溫控系統(tǒng)，不適合簡單的桿掛處理！
目前公司的太陽能路燈重要使用的是鋰離子電池，重要原因有：
1、鉛酸電池使用效果大大不如鋰離子電池。在電池容量、穩(wěn)定性等方面鋰離子電池穩(wěn)占優(yōu)勢。
2、最重要的原因是鉛酸電池污染十分嚴(yán)重，國家已經(jīng)明令禁止使用該類電池，吉星光電積極響應(yīng)國家政策，研發(fā)使用鋰離子電池作為新型太陽能路燈電池，解決了這個難題。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
3、鋰離子電池體積要小，便于安裝，攜帶，性能穩(wěn)定，不會像其他電池那樣，遭受劇烈撞擊，容易出事故。現(xiàn)在鋰離子電池可以放在路燈燈頭背部或者電池板背部很方便。容量是鋰離子電池最重要的參數(shù)之一，它的大小隨著溫度變化的曲線如下圖所示，下圖是一款磷酸鐵鋰離子電池的放電曲線。磷酸鐵鋰離子電池，充電終止電壓為3.650.05Ｖ，放電終止電壓為２0.05Ｖ，兩條曲線，是電池分別按照0.1C和0.3C在不同溫度下進(jìn)行放電，得到的溫度容量曲線。非常明顯的，容量隨著溫度的升高逐漸上升-20℃的容量只相當(dāng)于15℃容量的60％左右。除了容量，隨著溫度降低的還有電池開路電壓。我們都了解，電池中包含能量是容量與端電壓的乘積，當(dāng)兩個乘數(shù)都下降時，電池內(nèi)的能量一定是兩者下降效果的疊加。
低溫下正極材料活性降低，使得能夠發(fā)生移動帶來放電電流的鋰離子數(shù)量下降，是容量下降的根本原因。
不同溫度和放電倍率下裡電池放電容量
２.低溫對電池內(nèi)阻的影響
鋰離子電池溫度與電阻的關(guān)系，如下圖所示。不同的曲線代表電池自身不同的荷電量。任何一個荷電量下，電池內(nèi)阻都隨著溫度的降低而明顯升高，荷電量越低的電芯，內(nèi)阻越大，并且這個趨勢也隨著溫度的變化而保持不變。
低溫下，正負(fù)極材料中，帶電離子的擴(kuò)散運動能力變差，穿越電極與電解液的鈍化膜變得困難，在電解液中傳遞的速度也降低，并且在傳遞過程中還會額外出現(xiàn)很多熱量。鋰離子到達(dá)負(fù)極以后，在負(fù)極材料內(nèi)部的擴(kuò)散也變得不順暢。全部的過程，帶電離子的運動都變得困難重重，在外部看來，就是電芯的內(nèi)阻升高了。
內(nèi)阻與ＳＯＣ、溫度之間關(guān)系
３.低溫對電池充放電效率的影響
下面的曲線，是充電效率跟隨溫度變換的曲線。我們可以觀察到，-20℃下的充電效率只有15℃時候的65%。這里只說效率，低溫充電的危害非常嚴(yán)重，這里不展開討論。低溫帶來了前文中描述的種種電化學(xué)層面性能的變化，內(nèi)阻顯著新增。放電過程中，大量的電能消耗在內(nèi)阻發(fā)熱上面。我們觀察到的庫倫效率下降了。電動汽車行駛過程中，就會感覺到，看起來差不多的電量，低溫下續(xù)航變短了。
4鋰離子電池內(nèi)部副反應(yīng)
低溫下鋰離子電池性能退化嚴(yán)重，同時在鋰離子電池充放電過程中會有一些副反應(yīng)發(fā)生。這些副反應(yīng)中重要是鋰離子與電解液不可逆的反應(yīng)，會造成鋰離子電池容量衰退，使電池性能進(jìn)一步惡化。
導(dǎo)電活性物質(zhì)的消耗，造成容量衰減?？紤]到電池中正負(fù)兩個電極的電位，相比于正極這些副反應(yīng)更加有可能發(fā)生在負(fù)極側(cè)。因為負(fù)極材料電勢比正極材料電勢要低得多，離子和電解質(zhì)溶劑出現(xiàn)副反應(yīng)的沉積物沉積在了電極表面，形成SEI膜。SEI膜的阻抗是引起負(fù)極反應(yīng)過電勢的一個因素之一。當(dāng)電池進(jìn)一步循環(huán)老化后，由于持續(xù)循環(huán)中鋰離子在負(fù)極上不斷地嵌入與脫出，引起的電極膨脹和收縮會使得SEI膜破裂。SEI膜破裂后的裂縫供應(yīng)了電解液與電極直接接觸通道，從而形成新的SEI膜填補(bǔ)了裂縫也新增了SEI膜厚度。這些反應(yīng)過程隨著電池不斷地充放電而不斷重復(fù)發(fā)生，使得鋰離子在反應(yīng)中不斷減少，導(dǎo)致鋰離子電池放電容量的衰退。
充電時，活性物質(zhì)表面形成的沉積物，新增了電阻。降低了活性粒子的有效表面積，新增了離子電阻。鋰離子電池的可用容量和能量同時發(fā)生衰退。鋰離子電池在充電過程中更容易發(fā)生副反應(yīng)。鋰離子電池充電開始時，鋰離子通過電解液向負(fù)極運動，所以電極和電解液之間的電位差減少，使得鋰離子與電解液中的物質(zhì)更易發(fā)生不可逆的副反應(yīng)。鋰離子電池電極材料的不同，它的電勢與電極材料嵌鋰濃度分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線也不同。
5鋰離子電池低溫預(yù)熱技術(shù)
面對低溫下鋰離子電池使用受限的局面，技術(shù)人員找到的應(yīng)對策略是充電預(yù)熱，雖然是權(quán)宜之計，但對提高鋰離子電池的放電能力和長期壽命都有明顯效果。
低溫環(huán)境下對鋰離子電池充電或使用前，必須對電池進(jìn)行預(yù)加熱。電動汽車車載的電池管理系統(tǒng)(BMS)對電池加熱的方式大體可分外部加熱與內(nèi)部加熱兩大類。外部加熱方式有空氣加熱、液體加熱、相變材料加熱，以及熱阻加熱器或者熱泵加熱。這些加熱方式一般位于電池包中，或者設(shè)置在熱循環(huán)介質(zhì)的容器中。內(nèi)部加熱法加熱電池，則是通過交流電流激勵電池內(nèi)部電化學(xué)物質(zhì)，使電池本身出現(xiàn)熱量。
外部加熱
有關(guān)用空氣加熱的方式，有研究人員利用電池與一套大氣模擬系統(tǒng)進(jìn)行了實驗，實驗結(jié)果表明，相關(guān)于裸露在低溫環(huán)境中的電池，周圍空氣被加熱的電池能夠放出更多的容量。
比起空氣加熱，液體加熱具有更好的導(dǎo)熱率與更高的熱轉(zhuǎn)化效率。但是液體加熱要更復(fù)雜的加熱系統(tǒng)。液體加熱在電動汽車與混合動力汽車中的應(yīng)用已經(jīng)有不少實際案例。比如：在雪佛蘭Volt汽車中，環(huán)繞電池組熱交換液，由360V的加熱器加熱。
相變材料加熱電池也已經(jīng)被使用。當(dāng)電池溫度降到相變材料的相變溫度點之后，相變材料儲存的熱量會被釋放出來，保持環(huán)境溫度恒定，也就是向電池組傳遞熱量。相變材料的重要優(yōu)勢在于其可以用在溫度變化較迅速的環(huán)境中。
內(nèi)部加熱
交流激勵加熱，相比于外部加熱來說，另外一種常用的加熱方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計上會比較簡單，就是通過交變的電流加熱電池。它不要進(jìn)行傳熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，只是在電池正負(fù)極加載一定頻率的交流激勵，激勵用途在電池內(nèi)部電化學(xué)物質(zhì)上，相當(dāng)于循環(huán)往復(fù)小幅值充放電的效果。
與直流加熱電流相比，交流電流或正負(fù)方波電流在放電和充電周期內(nèi)都可以加熱電池，使得電池溫度上升，而電池荷電狀態(tài)(SOC)基本上是不變的。由于這些特性，交流內(nèi)部預(yù)熱方法成為一個研究較多的領(lǐng)域。2004年，國外一個研究者率先提出使用交變的電流直接對鋰離子電池加熱，僅僅利用電池內(nèi)部的電阻效應(yīng)產(chǎn)熱。他們對不同的SOC狀態(tài)下和不同溫度下（-20℃~40℃）的不同的電池做了一些測試。測試結(jié)果表明，在一定倍率的電流下，所有電池都會快速產(chǎn)熱。
美國一個團(tuán)隊對加熱頻率對加熱效果的影響進(jìn)行了研究，他們在0.01Hz到2KHz不同頻率下做了仿真，并將結(jié)果與外部加熱方式做了比較，認(rèn)為內(nèi)部加熱具有明顯的優(yōu)勢。
