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2022-05-12 点击量:354次
电动汽车冬季续航短,跑不了多远,油门踩下去没劲儿,站在一个动力锂电池包技术人的角度看,我可以一脸真诚的说「这都是正常反应」,然后收获一波№☆&@……好吧,即使这就是真相,但一个负责任的态度是,有没有办法做的更好。
1先说为何冬天续航就不行了
现在市面上的电动汽车,绝大部分都是锂离子电池的,那么就先扒一扒,冬天的锂离子电池怎么了。
还得先从原理说起。电动汽车上使用的重要锂离子电池类型,磷酸铁锂、三元锂和锰酸锂三种主流的锂离子电池,负极石墨材料为主。他们的基本反映原理是近似的,都是摇椅式电化学储能过程。
锂离子电池放电过程
如上图所示。在充电过程中,由于电池外加端电压的用途,正极集流体附近的电子在电场驱动下向负极运动,到达负极后,与负极材料中的锂离子结合,形成局部电中性存放在石墨间隙中;消耗了部分锂离子的负极表面,锂离子浓度变低,正极与负极之间形成离子浓度差。在浓差驱动下,正极材料中的锂离子从材料内部向正极表面运动,并沿着电解质,穿过隔膜,来到负极表面;进一步在电势驱动用途下,穿过SEI膜,向负极材料深处扩散,与从外电路过来的电子相遇,局部显示电中性滞留在负极材料内部。放电过程则刚好相反,包含负载的回路闭合后,放电过程开始于电子从负极集流体流出,通过外电路到达正极;终于锂离子嵌入正极材料,与外电路过来的电子结合。
负极石墨为层状结构,锂离子的嵌入和脱出的方式,在不同类型的锂离子中没有太大差异。不同正极材料,其晶格结构存在不同,充放电过程中的锂离子扩散进出,过程略有不同。
电化学过程的阻力和动力
阻力,从前节文字描述的电化学过程可以看到,放电过程中,锂离子想要从负极来到正极,要在一些动力的驱动下克服一些阻力才能实现。这些阻力包括,从负极结构中扩散出来要克服负极SEI膜阻抗;沿着电解液扩散要克服电解液传导阻抗;穿越正负极之间的隔膜,要克服隔膜阻抗;从电解液进入正极,要克服正极SEI膜(这个膜的结构不是特别明显)和材料内部扩散阻抗。
那么锂离子克服这些阻力的动力哪里来?一方面来自于正负极材料电势差,正极材料与负极材料的势能差越大,电池表现出来的开路电压越高,电池存储的能量也就越多,这个属性也是电池能够放电的基本动力;另一方面,电解液中不同位置离子浓度的不同,驱动离子从高浓度位置向低浓度位置运动,所谓浓差驱动。
低温对电化学过程的影响
这样看来,只要我们明确,低温是怎么样影响这些阻力和动力的,就能理解低温对锂离子电池性能的影响是怎么起用途的。
正极材料活性物质,温度越低,其活性越差,对外表现出电势降低;正极锂离子在材料内部通道中的扩散越困难,表现出阻抗新增;
负极表面的SEI膜,是电解液与负极材料初次接触时候形成的一层钝化膜,它的存在保护了负极材料不会被电解液进一步腐蚀,同时又能允许锂离子进入和脱出。当温度降低,锂离子通过SEI膜也变得困难,表现为阻抗新增;
电解液的活性,在低温下同样变差,离子在电解液中的扩散能力降低。带电离子的移动速率,宏观上的表现就是电流值的大小。回想一下电流的含义:单位时间流过导体任意截面的电量。联系到电荷移动速率与电流的关系,低温使得电解液通过电流的能力降低了。而对电荷移动的阻碍,则表现为回路阻抗。温度下降,电解液阻抗上升。
整体上看,在锂离子电池这个体系里,电荷移动的不顺畅,既表现为电势降低,同时又表现为阻抗升高。电势或者说电池的开路电压,在一定温度下,与电池内部容纳的能量有明确的对应关系,那么电势下降显示了电池内电能的减少。
到这里,用一句话表述为何低温下,电动汽车的续航里程少了?宏观上,因为低温使得锂离子电池的可用容量变小了,同时内阻变大了;微观上,低温一方面降低了锂离子电池活性物质放电的势能,另一方面提高了系统放电阻力。可用电量减小,行驶里程必然会减少,而电池内阻的新增,又将一部分可用的电能直接转化成欧姆热浪费掉了。两方面因素综合到一起,续驶里程必然明显减小。
2是否有办法提高冬季电动汽车的续航里程?
从前面的内容可以了解到,低温给电池带来的种种变化。怎么样解决呢?还是得从温度入手。
一个,可以称为恒温车库方法吧。要求车辆长期停放的环境温度不能过低,因为经历一宿十来个小时,电池内部温度基本可以与环境温度持平。假如放在冬天的户外,续航肯定受影响。不过这只是一个不是建议的建议……
另一个切实可行的方法是预热,就是起动之前,先给电池加热。当然,你的车要具备电池加热功能才行。有数据显示,一个预热措施可以带来如下水准的里程提升:环境温度零下20℃,无预热,直接起动行驶,续驶里程是常温里程的60%左右;采用预热方法,续驶里程提高到常温里程的90%。
这里的预热,专门指在汽车起动之前,利用动力锂电池以外的其他电源给电池包加热,温度达到15℃以后,车辆可以进入行驶状态。假如把动力锂电池自身作为电源,微小电流自加热,除了消耗电量以外,还会带来对电池本身寿命的伤害,是一种不太合理的加热方式。
假如恒温车库或者预热两个方式都做不到,而你所在地区的温度也只是在0℃左右,那么退而求其次,你可以采取先小功率低速行驶一段时间,让电池小电流放电行驶的同时给自己加热。当电池温度超过15℃以后,就可以正常行驶了。
假如没有任何保温、预热的条件,又家在东北,建议冬天就别开电动汽车了,眼前实在没有太好的办法供应给你。等真正的低温电池出现了,零下40℃也能直接抗住了,到时候再考虑不迟。
3锂离子电池低温充放电的危害
低温工作关于锂离子电池的伤害非常大,不到不得已的情形,最好不要低温运行,包括放电和充电。即使你不在意续驶里程。
低温放电,低温下的锂离子电池,电解液导电能力变差,假如给电池施加大负载,锂离子被强行拉出负极层状结构,另一侧又有大量的锂离子要快速嵌入正极材料。这会造成对正负极材料结构的损坏,进而使得一部分可用容量永久损失。
低温充电的危害更大,是引起负极锂金属枝晶生长的一大原因。低温下给锂离子电池按照正常条件充电,由于锂离子在电池内部的移动能力变差,出现大量离子堆积到负极表面等待嵌入的情形。离子过多,一部分来不及嵌入就以单质的形式沉积在负极表面。一波一波的离子堆积到一起,锂枝晶逐渐生长,可能刺破电池隔膜,造成正负极短路。有研究表明,经历过低温充电的电池,发生热失控的几率增大数倍,其重要影响因素就是低温充电积累下来的锂金属沉积,更活泼,更容易发生剧烈反应。
4低温锂离子电池技术
天然适合低温条件工作的电极材质,当数钛酸锂,可以实现零下40摄氏度正常工作。钛酸锂做负极材料,一方面它没有SEI膜,锂离子嵌入通道是三维结构,使得其低温下离子运动的困难程度不会明显升高;另一方面,离子的嵌入和脱出不会带来体积变化所谓零应变材料,这使得它在低温条件下结构不容易受到破坏。但钛酸锂材料有他绕不开的缺陷,能量密度低,只有175mAh/g。
除了寻找天然适应低温的材料以外,另一个技术路线是利用辅助材料,提高现有正负极材料和电解质的耐低温性能。比如,在电解质中添加助剂。有的助剂可以提高负极与电解质之间的界面稳定性,以提高低温耐受能力;有的助剂可以提高电解液的低温导电能力,进而提高低温工作能力。低温电池技术,还在发展过程中,没有达到大规模商用的水平。瓶颈重要在于稳定性问题和成本问题。
最后,电动汽车的续航里程,动力锂电池的可用电量是决定性因素,但其他的一些方面也不应完全忽略。一个是车辆运行工况对电能消耗率的影响,通俗讲就是开车的手法。频繁加减速,是最耗电的方式。保持中高档次的匀速运行,是最省力省电的开法。有车主抱怨承诺的续航里程虚高,实际差的太远。暂且不提商家诚信度的影响,只从技术角度考虑,假如厂家按照一个60km/h匀速标定出来的续航,跟实车在车流中走走停停,二者的差距必定会很大。另一个方面就是制动能量回馈,能量回馈是电动汽车的一个亮点,但也不是所有情形的制动能量都能得到回收,假如简单讲,要车辆速度不是太高或者太低,制动不能太紧急。
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