磷酸铁锂电池低温性能怎么解？

磷酸铁锂系电池成本相对三元系电池低，且安全性好，寿命长。随着技术的进步，实际能量密度也在无限接近理论能量密度。所以其市场占有率也在稳步上升，且已经超过三元系锂电池的装机量。

但磷酸铁锂（LiFePO4，LFP）的缺点也很明显：导电性能差，低温性能差，振实密度低等。本文以下内容着重探讨一下磷酸铁锂的低温性能的几种改善办法。

1. 表面包覆降低LFP颗粒的表面电阻

锂电池在低温下，电极材料界面处的阻抗会增加，离子扩散速率也会降低。在LFP表面包覆一层导电层会有效降低电极材料之间的接触电阻，从而可提高离子进出LFP的扩散速率。

一般包覆材料为碳材料。例如，利用无定形碳或碳纳米管或石墨烯进行包覆，这些材料均可以使得LFP电极材料界面阻抗降低。另外一种是利用金属或金属氧化物涂层。有研究表明，CeO2颗粒可以均匀分布在LFP表面。低温下，CeO2改善后LFP的脱/嵌能力和电极动力学均得到明显改善。

2. 体相掺杂降低LFP电极的电阻

离子掺杂可以在LFP晶格结构中形成空位，从而促进锂离子在电极材料中的扩散。

有研究表明，Mg和F共掺杂得到的LFe0.92Mg0.08(PO4)0.99F0.03在低温下具有较好的电化学性能。两种离子的掺杂并未改变材料的粒径和结构，还增加了离子传导速率和电子转移速率。

3. 电解液的优化

这一点可能并不单单可应用到LFP体系中，三元或其它有机电解液体系的锂电池均可应用。

低温下，锂离子在电极/电解液界面的传递是其性能的控制步骤。提升低温性能，其中重要的一点就是提高界面电化学反应速率。所以SEI膜的优化就显得至关重要了，而SEI膜的性质由电解液和电极表面性质决定。因此，对电解液的优化也可以改善锂电池的低温性能。

有研究表明，在电解液中引入分子链较长或者分子质量较高的酯的助溶剂可以增加SEI膜的稳定性，使锂离子稳定的嵌入，减少电池的极化。

除此之外，电解液中锂盐的选择同样会影响到锂离子电导率和SEI膜的稳定性。

4. 充电策略的优化

利用脉冲电流来快速加热低温下的电池温度。

锂电池在充电过程中，电解液中离子运动与极化会促进锂电池内部热量的产生，这种生热机制可有效地用于提高其在低温下的性能。

图片来源：论文“A New Charging Mode of Li-Ion Batteries with LiFePO4/C Composites under Low Temperature”

有研究表明，利用商业锂电池的实验测试可以验证连续充电和脉冲充电之间的发热差异。从上图可以看出，微秒脉冲时间可以促进锂电池中产生更多的热量。

5. 采用新型电池结构

LFP低温性能的改善不仅可以从材料方面入手，电池结构方面的改进帮助也是非常大的。

王朝阳教授团队成功开发了一种新型的电池结构和充电策略。该电池包含一个轻巧、低成本的内部加热结构，并通过开关智能地控制充电电流的流向。

当电池温度低于室温时，所有电流自动流入内部加热结构，使电池快速升温。当电池加热到高于室温后，将自动切换至充电模式，实现了全气候快充。

附：参考文献

[1] 胡晨，磷酸铁锂电池低温性能的改性方法简述

[2] 朱高龙，基于磷酸铁锂高低温性能电池的制备及其优化

[3] 王朝阳，Fast Charging of Lithium-ion Batteries at All Temperatures