Γιατί η χωρητικότητα της μπαταρίας λιθίου μειώνεται το χειμώνα, επιτέλους μπορεί κάποιος να το εξηγήσει!
Από τότε που μπήκαν στην αγορά οι μπαταρίες ιόντων λιθίου-, έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως λόγω των πλεονεκτημάτων τους για μεγάλη διάρκεια ζωής, μεγάλη ειδική χωρητικότητα και χωρίς αποτέλεσμα μνήμης. Η χρήση μπαταριών ιόντων λιθίου- σε χαμηλή θερμοκρασία έχει προβλήματα όπως χαμηλή χωρητικότητα, σοβαρή εξασθένηση, κακή απόδοση κύκλου, εμφανής εναπόθεση λιθίου και μη ισορροπημένη εξαγωγή λιθίου. Ωστόσο, με τη συνεχή επέκταση των πεδίων εφαρμογών, οι περιορισμοί που προκαλούνται από την κακή-απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου- σε χαμηλή θερμοκρασία γίνονται όλο και πιο εμφανείς.
Σύμφωνα με αναφορές, η ικανότητα εκφόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου- στους -20 βαθμούς είναι μόνο περίπου το 31,5 τοις εκατό αυτής σε θερμοκρασία δωματίου. Η θερμοκρασία λειτουργίας των παραδοσιακών μπαταριών ιόντων λιθίου- είναι μεταξύ -20 και συν 55 βαθμούς . Ωστόσο, στους τομείς της αεροδιαστημικής, της στρατιωτικής βιομηχανίας, των ηλεκτρικών οχημάτων κ.λπ., η μπαταρία απαιτείται να λειτουργεί κανονικά στους -40 βαθμούς. Ως εκ τούτου, είναι πολύ σημαντικό να βελτιωθούν οι ιδιότητες χαμηλής θερμοκρασίας των μπαταριών Li-ion.
Παράγοντες που περιορίζουν την απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου- σε χαμηλή θερμοκρασία
Σε περιβάλλον χαμηλής θερμοκρασίας, το ιξώδες του ηλεκτρολύτη αυξάνεται, ακόμη και μερικώς στερεοποιείται, με αποτέλεσμα τη μείωση της αγωγιμότητας των μπαταριών ιόντων λιθίου-. Η συμβατότητα μεταξύ του ηλεκτρολύτη και του αρνητικού ηλεκτροδίου και του διαχωριστή γίνεται φτωχή σε περιβάλλον χαμηλής θερμοκρασίας. Το αρνητικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας ιόντων λιθίου- έχει σοβαρή καθίζηση λιθίου σε περιβάλλον χαμηλής θερμοκρασίας και το κατακρημνισμένο μέταλλο λίθιο αντιδρά με τον ηλεκτρολύτη και η εναπόθεση του προϊόντος του οδηγεί σε αύξηση του πάχους του στερεού- διεπαφή ηλεκτρολύτη (SEI). Σε περιβάλλον χαμηλής θερμοκρασίας, το σύστημα διάχυσης των μπαταριών ιόντων λιθίου στο ενεργό υλικό μειώνεται και η αντίσταση μεταφοράς φορτίου (Rct) αυξάνεται σημαντικά.
Συζήτηση σχετικά με τους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση σε χαμηλή θερμοκρασία των μπαταριών ιόντων λιθίου-
Γνώμη ειδικού 1: Ο ηλεκτρολύτης έχει τον μεγαλύτερο αντίκτυπο στην απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου- σε χαμηλή{1}}θερμοκρασία και η σύνθεση και οι φυσικοχημικές ιδιότητες του ηλεκτρολύτη έχουν σημαντικό αντίκτυπο στη χαμηλή{{3} }θερμοκρασία απόδοσης της μπαταρίας. Τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η μπαταρία σε χαμηλή θερμοκρασία είναι: το ιξώδες του ηλεκτρολύτη θα αυξηθεί, η ταχύτητα αγωγιμότητας των ιόντων θα γίνει πιο αργή, με αποτέλεσμα την αναντιστοιχία της ταχύτητας μετανάστευσης ηλεκτρονίων του εξωτερικού κυκλώματος, οπότε η μπαταρία θα πολωθεί σοβαρά και η ικανότητα φόρτισης και εκφόρτισης θα μειωθεί απότομα. Ειδικά κατά τη φόρτιση σε χαμηλή θερμοκρασία, τα ιόντα λιθίου σχηματίζουν εύκολα δενδρίτες λιθίου στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου, με αποτέλεσμα την αστοχία της μπαταρίας.
Η απόδοση του ηλεκτρολύτη σε χαμηλή θερμοκρασία σχετίζεται στενά με το μέγεθος της αγωγιμότητας του ίδιου του ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης με υψηλή αγωγιμότητα μεταδίδει γρήγορα ιόντα και μπορεί να ασκήσει μεγαλύτερη χωρητικότητα σε χαμηλή θερμοκρασία. Όσο περισσότερο διασπάται το άλας λιθίου στον ηλεκτρολύτη, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των μεταναστεύσεων και τόσο μεγαλύτερη η αγωγιμότητα. Όσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα, τόσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός αγωγιμότητας των ιόντων, τόσο μικρότερη είναι η πόλωση και τόσο καλύτερη είναι η απόδοση της μπαταρίας σε χαμηλή θερμοκρασία. Επομένως, η υψηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την επίτευξη καλής-απόδοσης σε χαμηλή θερμοκρασία των μπαταριών ιόντων λιθίου-.
Η αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη σχετίζεται με τη σύνθεση του ηλεκτρολύτη και η μείωση του ιξώδους του διαλύτη είναι ένας από τους τρόπους βελτίωσης της αγωγιμότητας του ηλεκτρολύτη. Η καλή ρευστότητα του διαλύτη σε χαμηλή θερμοκρασία είναι η εγγύηση μεταφοράς ιόντων και το στερεό φιλμ ηλεκτρολύτη που σχηματίζεται από τον ηλεκτρολύτη στο αρνητικό ηλεκτρόδιο σε χαμηλή θερμοκρασία είναι επίσης το κλειδί για να επηρεάσει την αγωγιμότητα των ιόντων λιθίου και το RSEI είναι η κύρια αντίσταση μπαταριών ιόντων λιθίου σε περιβάλλοντα χαμηλής θερμοκρασίας.
Ειδικός 2: Ο κύριος παράγοντας που περιορίζει την απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες των μπαταριών ιόντων λιθίου-είναι η απότομη αυξημένη αντίσταση διάχυσης λιθίου σε χαμηλές θερμοκρασίες και όχι το φιλμ SEI.
Ιδιότητες χαμηλής θερμοκρασίας υλικών καθόδου για μπαταρίες ιόντων λιθίου
1. Ιδιότητες χαμηλής θερμοκρασίας στρωματοποιημένων καθοδικών υλικών
Η πολυεπίπεδη δομή όχι μόνο έχει την ασύγκριτη απόδοση ρυθμού-μονοδιάστατων καναλιών διάχυσης ιόντων λιθίου, αλλά έχει επίσης τη δομική σταθερότητα τριών-καναλιών. Είναι το αρχαιότερο εμπορικό υλικό καθόδου για μπαταρίες ιόντων λιθίου. Οι αντιπροσωπευτικές του ουσίες είναι τα LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 και Li(Ni, Co, Mn)O2 κ.ο.κ.
Xie Xiaohua et al. πήρε το LiCoO2/MCMB ως αντικείμενο έρευνας και δοκίμασε τα χαρακτηριστικά εκφόρτισης χαμηλής-φόρτισης θερμοκρασίας-.
The results show that with the decrease of temperature, the discharge platform drops from 3.762V (0 degree ) to 3.207V (–30 degree ); the total battery capacity also decreases sharply from 78.98mA·h (0 degree ) to 68.55mA·h (–30 degree ).
2. Χαρακτηριστικά χαμηλών-θερμοκρασιών υλικών δομημένης καθόδου σπινελίου-
Η δομή του σπινελίου LiMn2O4 υλικό καθόδου έχει τα πλεονεκτήματα του χαμηλού κόστους και της μη τοξικότητας επειδή δεν περιέχει στοιχείο Co.
Ωστόσο, η μεταβλητότητα σθένους του Mn και το φαινόμενο Jahn-Teller του Mn3 plus οδηγούν στη δομική αστάθεια και την κακή αναστρεψιμότητα αυτού του στοιχείου.
Οι Peng Zhengshun et al. επεσήμανε ότι διαφορετικές μέθοδοι παρασκευής έχουν μεγάλη επίδραση στην ηλεκτροχημική απόδοση των υλικών καθόδου LiMn2O4. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το Rct: το Rct του LiMn2O4 που συντίθεται με τη μέθοδο στερεάς-φάσης υψηλής θερμοκρασίας είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό της μεθόδου sol-gel, και αυτό το φαινόμενο είναι στη μέθοδο ιόντων λιθίου. Ο συντελεστής διάχυσης αντανακλάται επίσης. Ο λόγος είναι ότι διαφορετικές μέθοδοι σύνθεσης έχουν μεγάλη επίδραση στην κρυσταλλικότητα και τη μορφολογία των προϊόντων.
3. Χαρακτηριστικά χαμηλής θερμοκρασίας καθοδικών υλικών φωσφορικού συστήματος
Λόγω της εξαιρετικής σταθερότητας όγκου και ασφάλειάς του, το LiFePO4, μαζί με τριμερή υλικά, έχει γίνει το κύριο σώμα των σημερινών υλικών καθόδου μπαταρίας ισχύος. Η κακή απόδοση του φωσφορικού σιδήρου λιθίου σε χαμηλή θερμοκρασία οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι το ίδιο το υλικό είναι μονωτής, με χαμηλή ηλεκτρονική αγωγιμότητα, κακή διάχυση ιόντων λιθίου και κακή αγωγιμότητα σε χαμηλή θερμοκρασία, γεγονός που αυξάνει την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας, η οποία επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την πόλωση και εμποδίζει τη φόρτιση και αποφόρτιση της μπαταρίας. Επομένως, η απόδοση σε χαμηλή θερμοκρασία δεν είναι ιδανική.
When studying the charge{{0}}discharge behavior of LiFePO4 at low temperature, Gu Yijie et al. found that its coulombic efficiency dropped from 100 percent at 55 degree to 96 percent at 0 degree and 64 percent at -20 degree , respectively; the discharge voltage decreased from 3.11V at 55 degree . Decrease to 2.62V at –20 degree .
Xing et al. modified LiFePO4 with nano-carbon and found that after adding nano-carbon conductive agent, the electrochemical performance of LiFePO4 was less sensitive to temperature, and the low-temperature performance was improved; the discharge voltage of modified LiFePO4 increased from 3.40 at 25 degree V drops to 3.09V at –25 degree , a decrease of only 9.12 percent ; and its cell efficiency at –25 degree is 57.3 percent , which is higher than 53.4 percent without nano-carbon conductive agent.
Πρόσφατα, το LiMnPO4 έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον. Η μελέτη διαπίστωσε ότι το LiMnPO4 έχει τα πλεονεκτήματα του υψηλού δυναμικού (4,1 V), της μη ρύπανσης, της χαμηλής τιμής και της μεγάλης ειδικής χωρητικότητας (170mAh/g). Ωστόσο, λόγω της χαμηλότερης ιοντικής αγωγιμότητας του LiMnPO4 από το LiFePO4, το Fe χρησιμοποιείται συχνά για να αντικαταστήσει εν μέρει το Mn για να σχηματίσει στερεό διάλυμα LiMn0.8Fe0.2PO4 στην πράξη.
Ιδιότητες χαμηλής θερμοκρασίας υλικών ανόδου για μπαταρίες ιόντων λιθίου
Σε σύγκριση με το υλικό θετικού ηλεκτροδίου, η υποβάθμιση χαμηλής θερμοκρασίας του υλικού αρνητικού ηλεκτροδίου της μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι πιο σοβαρή, κυρίως για τους ακόλουθους τρεις λόγους:
When the battery is charged and discharged at a high rate at low temperature, the polarization of the battery is serious, and a large amount of metal lithium is deposited on the surface of the negative electrode, and the reaction product of metal lithium and the electrolyte generally does not have conductivity; From the perspective of thermodynamics, the electrolyte contains a large amount of C–O, C– N etc.
The polar group can react with the negative electrode material, and the formed SEI film is more susceptible to low temperature; · The carbon negative electrode is difficult to intercalate lithium at low temperature, and there is asymmetric charge and discharge.
a98c6b55abdcd5adc3579beecae2cbd9.png
Έρευνα για ηλεκτρολύτες χαμηλής θερμοκρασίας
Ο ηλεκτρολύτης παίζει το ρόλο της μεταφοράς Li plus σε μπαταρίες ιόντων λιθίου- και οι ιδιότητες ιοντικής αγωγιμότητας και σχηματισμού φιλμ SEI-έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση της μπαταρίας σε χαμηλή-θερμοκρασία . Υπάρχουν τρεις κύριοι δείκτες για να κρίνουμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των ηλεκτρολυτών χαμηλής-θερμοκρασίας: ιοντική αγωγιμότητα, ηλεκτροχημικό παράθυρο και αντιδραστικότητα ηλεκτροδίου. Το επίπεδο αυτών των τριών δεικτών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα συστατικά του υλικά: διαλύτη, ηλεκτρολύτη (άλας λιθίου) και πρόσθετα. Ως εκ τούτου, η έρευνα σχετικά με την απόδοση σε χαμηλή θερμοκρασία κάθε τμήματος του ηλεκτρολύτη έχει μεγάλη σημασία για την κατανόηση και τη βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας σε χαμηλή θερμοκρασία.
·Low-temperature characteristics of EC-based electrolytes Compared with chain carbonates, cyclic carbonates have a tighter structure, larger acting force, and higher melting point and viscosity. However, the large polarity brought by the ring structure makes it often have a large dielectric constant. The large dielectric constant, high ionic conductivity, and excellent film-forming properties of EC solvent effectively prevent the co-insertion of solvent molecules, making it indispensable. Therefore, most of the commonly used low-temperature electrolyte systems are based on EC, and then mixed Small molecule solvent with low melting point. ·Lithium salt is an important component of electrolyte. Lithium salt in the electrolyte can not only improve the ionic conductivity of the solution, but also reduce the diffusion distance of Li plus in the solution. In general, the greater the concentration of Li plus in the solution, the greater the ionic conductivity. However, the concentration of lithium ions in the electrolyte is not linearly related to the concentration of lithium salts, but is parabolic. This is because the concentration of lithium ions in the solvent depends on the strength of the dissociation and association of lithium salts in the solvent.
Έρευνα για ηλεκτρολύτες χαμηλής θερμοκρασίας
Εκτός από τη σύνθεση της ίδιας της μπαταρίας, οι παράγοντες διεργασίας στην πραγματική λειτουργία θα έχουν επίσης μεγάλο αντίκτυπο στην απόδοση της μπαταρίας.
(1) Διαδικασία προετοιμασίας. Οι Yaqub et al. μελέτησε την επίδραση του φορτίου ηλεκτροδίου και του πάχους επικάλυψης στην απόδοση χαμηλής θερμοκρασίας του LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /μπαταρίες γραφίτη και διαπίστωσε ότι όσον αφορά τη διατήρηση χωρητικότητας, Όσο μικρότερο είναι το φορτίο του ηλεκτροδίου και όσο πιο λεπτό είναι το στρώμα επικάλυψης, τόσο καλύτερη είναι η απόδοση σε χαμηλή θερμοκρασία. .
(2) Κατάσταση χρέωσης και απαλλαγής. Οι Petzl et al. μελέτησε την επίδραση της κατάστασης εκφόρτισης σε χαμηλή-φόρτιση θερμοκρασίας-στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και διαπίστωσε ότι όταν το βάθος εκφόρτισης είναι μεγάλο, θα προκαλέσει μεγαλύτερη απώλεια χωρητικότητας και θα μειώσει τη διάρκεια ζωής του κύκλου.
(3) Άλλοι παράγοντες. Η επιφάνεια, το μέγεθος των πόρων, η πυκνότητα του ηλεκτροδίου, η διαβρεξιμότητα του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη και του διαχωριστή κ.λπ. επηρεάζουν την απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου- σε χαμηλή-θερμοκρασία. Επιπλέον, δεν μπορεί να αγνοηθεί η επίδραση των ελαττωμάτων υλικού και διαδικασίας στην απόδοση της μπαταρίας σε χαμηλή θερμοκρασία.
Συνοψίζω
Προκειμένου να διασφαλιστεί η απόδοση σε χαμηλή θερμοκρασία των μπαταριών ιόντων λιθίου-, πρέπει να γίνουν τα ακόλουθα σημεία:
(1) Σχηματίστε ένα λεπτό και πυκνό φιλμ SEI.
(2) Βεβαιωθείτε ότι το Li plus έχει μεγάλο συντελεστή διάχυσης στο ενεργό υλικό.
(3) Ο ηλεκτρολύτης έχει υψηλή ιοντική αγωγιμότητα σε χαμηλή θερμοκρασία.
Επιπλέον, η έρευνα μπορεί επίσης να βρει έναν άλλο τρόπο για να εξετάσει έναν άλλο τύπο μπαταριών ιόντων λιθίου-όλα-σε στερεά κατάσταση-μπαταρίες ιόντων λιθίου- . Σε σύγκριση με τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου-, όλες οι μπαταρίες ιόντων λιθίου-στερεάς-στερεής κατάστασης-, ειδικά όλες-στερεά-λεπτές- Οι {11}}μπαταρίες ιόντων λιθίου{12}}φιλμ, αναμένεται να λύσουν πλήρως το πρόβλημα της αποσύνθεσης χωρητικότητας και της ασφάλειας του κύκλου όταν χρησιμοποιούνται μπαταρίες σε χαμηλές θερμοκρασίες.
