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    冬天里汽車的鋰電池怎么了

    來源:   發布時間:2018-03-20   點擊量:761

      最近,全國各地的電動汽車車主朋友們是不是發現您的愛車續航里程突然大幅縮短,跑不了多遠,“油門”踩下去沒勁兒?是不是都開始為冬季嚴寒感到發愁,尤其是北方的朋友們,如此天氣不僅影響出行計劃,而且很多人為了能夠省點電,不舍得開暖風,車里車外幾乎一個溫度。這樣的體驗,讓人簡直懷疑當初決定買電動汽車考慮的價值所在。


      東北的小伙伴,冬天零下二十多度似乎是家常便飯。這可讓擁有電動汽車的他們可咋辦?


      為何在寒冷的冬天電動汽車的續航會減少,不用腦袋想就知道與低溫有關。小編在想,這可能與智能手機在低溫狀態下明明顯示電量充足但卻瞬時關機是一個道理。但是為何低溫會對它們的續航產生如此大的影響,小編不太懂技術,查找了資料,順便給大家科普下。


    鋰電池


      為什么冬天電動汽車的續航就不行了?


      通常來說,目前市面上絕大多數的電動汽車、甚至是電子數碼產品,使用的都是鋰電池,那么就先扒一扒,冬天的鋰電池怎么了。


      先從原理說起。電動汽車上使用的主要鋰電池類型,磷酸鐵鋰、三元鋰和錳酸鋰三種主流的鋰電池,負極石墨材料為主。他們的基本反映原理是近似的,都是“搖椅式”電化學儲能過程。


      在充電過程中,由于電池外加端電壓的作用,正極集流體附近的電子在電場驅動下向負極運動,到達負極后,與負極材料中的鋰離子結合,形成局部電中性存放在石墨間隙中;消耗了部分鋰離子的負極表面,鋰離子濃度變低,正極與負極之間形成離子濃度差。在濃差驅動下,正極材料中的鋰離子從材料內部向正極表面運動,并沿著電解質,穿過隔膜,來到負極表面;進一步在電勢驅動作用下,穿過SEI膜,向負極材料深處擴散,與從外電路過來的電子相遇,局部顯示電中性滯留在負極材料內部。放電過程則剛好相反,包含負載的回路閉合后,放電過程開始于電子從負極集流體流出,通過外電路到達正極;終于鋰離子嵌入正極材料,與外電路過來的電子結合。


      負極石墨為層狀結構,鋰離子的嵌入和脫出的方式,在不同類型的鋰離子中沒有太大差異。不同正極材料,其晶格結構存在不同,充放電過程中的鋰離子擴散進出,過程略有不同。

    放電過程中,鋰離子想要從負極來到正極,需要在一些動力的驅動下克服一些阻力才能實現。這些阻力包括,從負極結構中擴散出來要克服負極SEI膜阻抗;沿著電解液擴散需要克服電解液傳導阻抗;穿越正負極之間的隔膜,需要克服隔膜阻抗;從電解液進入正極,需要克服正極SEI膜(這個膜的結構不是特別明顯)和材料內部擴散阻抗。 


      那么鋰離子克服這些阻力的動力哪里來?一方面來自于正負極材料電勢差,正極材料與負極材料的勢能差越大,電池表現出來的開路電壓越高,電池存儲的能量也就越多,這個屬性也是電池能夠放電的基本動力;另一方面,電解液中不同位置離子濃度的不同,驅動離子從高濃度位置向低濃度位置運動,所謂濃差驅動。


       這樣看來,只要我們明確,低溫是怎樣影響這些阻力和動力的,就能理解低溫對鋰電池性能的影響是怎么起作用的。


      正極材料活性物質,溫度越低,其活性越差,對外表現出電勢降低;正極鋰離子在材料內部通道中的擴散越困難,表現出阻抗增加;負極表面的SEI膜,是電解液與負極材料初次接觸時候形成的一層鈍化膜,它的存在保護了負極材料不會被電解液進一步腐蝕,同時又能允許鋰離子進入和脫出。當溫度降低,鋰離子通過SEI膜也變得困難,表現為阻抗增加;電解液的活性,在低溫下同樣變差,離子在電解液中的擴散能力降低。帶電離子的移動速率,宏觀上的表現就是電流值的大小。回想一下電流的定義:單位時間流過導體任意截面的電量。聯系到電荷移動速率與電流的關系,低溫使得電解液通過電流的能力降低了。而對電荷移動的阻礙,則表現為回路阻抗。溫度下降,電解液阻抗上升。


       整體上看,在鋰電池這個體系里,電荷移動的不順暢,既表現為電勢降低,同時又表現為阻抗升高。電勢或者說電池的開路電壓,在一定溫度下,與電池內部容納的能量有明確的對應關系,那么電勢下降顯示了電池內電能的減少。


      上述解釋似乎顯得過于復雜,那么簡單總結下為何低溫下,電動汽車的續航里程少了?宏觀上,因為低溫使得鋰電池的可用容量變小了,同時內阻變大了;微觀上,低溫一方面降低了鋰電池活性物質放電的勢能,另一方面提高了系統放電阻力。可用電量減小,行駛里程必然會減少,而電池內阻的增加,又將一部分可用的電能直接轉化成歐姆熱浪費掉了。兩方面因素綜合到一起,續駛里程必然明顯減小。

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