低温下太阳能路灯锂离子电池容量发挥不好,会受到影响,随着温度越低,实际表现出来的容量越低。正规产品,在-20℃的情况下,发挥出的容量相当于常温环境下的60~75%(非正规锂离子电池可能更低)。
锂离子电池低温放电只是实际放出容量的大小,最关键的是锂离子电池不适宜在0℃以下充电,这是致命的,否则会有较大的安全隐患!因此,在高寒地区的路灯锂离子电池或者采用地埋式,或者新增温控系统,不适合简单的杆挂处理!
目前公司的太阳能路灯重要使用的是锂离子电池,重要原因有:
1、铅酸电池使用效果大大不如锂离子电池。在电池容量、稳定性等方面锂离子电池稳占优势。
2、最重要的原因是铅酸电池污染十分严重,国家已经明令禁止使用该类电池,吉星光电积极响应国家政策,研发使用锂离子电池作为新型太阳能路灯电池,解决了这个难题。
3、锂离子电池体积要小,便于安装,携带,性能稳定,不会像其他电池那样,遭受剧烈撞击,容易出事故。现在锂离子电池可以放在路灯灯头背部或者电池板背部很方便。容量是锂离子电池最重要的参数之一,它的大小随着温度变化的曲线如下图所示,下图是一款磷酸铁锂离子电池的放电曲线。磷酸铁锂离子电池,充电终止电压为3.650.05V,放电终止电压为20.05V,两条曲线,是电池分别按照0.1C和0.3C在不同温度下进行放电,得到的温度容量曲线。非常明显的,容量随着温度的升高逐渐上升-20℃的容量只相当于15℃容量的60%左右。除了容量,随着温度降低的还有电池开路电压。我们都了解,电池中包含能量是容量与端电压的乘积,当两个乘数都下降时,电池内的能量一定是两者下降效果的叠加。
低温下正极材料活性降低,使得能够发生移动带来放电电流的锂离子数量下降,是容量下降的根本原因。
不同温度和放电倍率下裡电池放电容量
2.低温对电池内阻的影响
锂离子电池温度与电阻的关系,如下图所示。不同的曲线代表电池自身不同的荷电量。任何一个荷电量下,电池内阻都随着温度的降低而明显升高,荷电量越低的电芯,内阻越大,并且这个趋势也随着温度的变化而保持不变。
低温下,正负极材料中,带电离子的扩散运动能力变差,穿越电极与电解液的钝化膜变得困难,在电解液中传递的速度也降低,并且在传递过程中还会额外出现很多热量。锂离子到达负极以后,在负极材料内部的扩散也变得不顺畅。全部的过程,带电离子的运动都变得困难重重,在外部看来,就是电芯的内阻升高了。
内阻与SOC、温度之间关系
3.低温对电池充放电效率的影响
下面的曲线,是充电效率跟随温度变换的曲线。我们可以观察到,-20℃下的充电效率只有15℃时候的65%。这里只说效率,低温充电的危害非常严重,这里不展开讨论。低温带来了前文中描述的种种电化学层面性能的变化,内阻显著新增。放电过程中,大量的电能消耗在内阻发热上面。我们观察到的库伦效率下降了。电动汽车行驶过程中,就会感觉到,看起来差不多的电量,低温下续航变短了。
4锂离子电池内部副反应
低温下锂离子电池性能退化严重,同时在锂离子电池充放电过程中会有一些副反应发生。这些副反应中重要是锂离子与电解液不可逆的反应,会造成锂离子电池容量衰退,使电池性能进一步恶化。
导电活性物质的消耗,造成容量衰减。考虑到电池中正负两个电极的电位,相比于正极这些副反应更加有可能发生在负极侧。因为负极材料电势比正极材料电势要低得多,离子和电解质溶剂出现副反应的沉积物沉积在了电极表面,形成SEI膜。SEI膜的阻抗是引起负极反应过电势的一个因素之一。当电池进一步循环老化后,由于持续循环中锂离子在负极上不断地嵌入与脱出,引起的电极膨胀和收缩会使得SEI膜破裂。SEI膜破裂后的裂缝供应了电解液与电极直接接触通道,从而形成新的SEI膜填补了裂缝也新增了SEI膜厚度。这些反应过程随着电池不断地充放电而不断重复发生,使得锂离子在反应中不断减少,导致锂离子电池放电容量的衰退。
充电时,活性物质表面形成的沉积物,新增了电阻。降低了活性粒子的有效表面积,新增了离子电阻。锂离子电池的可用容量和能量同时发生衰退。锂离子电池在充电过程中更容易发生副反应。锂离子电池充电开始时,锂离子通过电解液向负极运动,所以电极和电解液之间的电位差减少,使得锂离子与电解液中的物质更易发生不可逆的副反应。锂离子电池电极材料的不同,它的电势与电极材料嵌锂浓度分数的关系曲线也不同。
5锂离子电池低温预热技术
面对低温下锂离子电池使用受限的局面,技术人员找到的应对策略是充电预热,虽然是权宜之计,但对提高锂离子电池的放电能力和长期寿命都有明显效果。
低温环境下对锂离子电池充电或使用前,必须对电池进行预加热。电动汽车车载的电池管理系统(BMS)对电池加热的方式大体可分外部加热与内部加热两大类。外部加热方式有空气加热、液体加热、相变材料加热,以及热阻加热器或者热泵加热。这些加热方式一般位于电池包中,或者设置在热循环介质的容器中。内部加热法加热电池,则是通过交流电流激励电池内部电化学物质,使电池本身出现热量。
外部加热
有关用空气加热的方式,有研究人员利用电池与一套大气模拟系统进行了实验,实验结果表明,相关于裸露在低温环境中的电池,周围空气被加热的电池能够放出更多的容量。
比起空气加热,液体加热具有更好的导热率与更高的热转化效率。但是液体加热要更复杂的加热系统。液体加热在电动汽车与混合动力汽车中的应用已经有不少实际案例。比如:在雪佛兰Volt汽车中,环绕电池组热交换液,由360V的加热器加热。
相变材料加热电池也已经被使用。当电池温度降到相变材料的相变温度点之后,相变材料储存的热量会被释放出来,保持环境温度恒定,也就是向电池组传递热量。相变材料的重要优势在于其可以用在温度变化较迅速的环境中。
内部加热
交流激励加热,相比于外部加热来说,另外一种常用的加热方法,结构设计上会比较简单,就是通过交变的电流加热电池。它不要进行传热结构的设计,只是在电池正负极加载一定频率的交流激励,激励用途在电池内部电化学物质上,相当于循环往复小幅值充放电的效果。
与直流加热电流相比,交流电流或正负方波电流在放电和充电周期内都可以加热电池,使得电池温度上升,而电池荷电状态(SOC)基本上是不变的。由于这些特性,交流内部预热方法成为一个研究较多的领域。2004年,国外一个研究者率先提出使用交变的电流直接对锂离子电池加热,仅仅利用电池内部的电阻效应产热。他们对不同的SOC状态下和不同温度下(-20℃~40℃)的不同的电池做了一些测试。测试结果表明,在一定倍率的电流下,所有电池都会快速产热。
美国一个团队对加热频率对加热效果的影响进行了研究,他们在0.01Hz到2KHz不同频率下做了仿真,并将结果与外部加热方式做了比较,认为内部加热具有明显的优势。