Зашто се капацитет литијумских батерија смањује зими? Коначно, неко може да објасни!

Зашто се капацитет литијумских батерија смањује зими? Коначно, неко може да објасни!

Откако су ушле на тржиште, литијум-јонске батерије су се широко користиле због својих предности као што су дуг животни век, велики специфични капацитет и без меморијског ефекта. Литијум-јонске батерије које се користе на ниским температурама имају проблеме као што су мали капацитет, јако слабљење, лоше перформансе циклуса, очигледна еволуција литијума и неуравнотежено уклањање и уметање литијума. Међутим, са континуираним ширењем поља примене, ограничења узрокована лошим перформансама литијум-јонских батерија на ниским температурама постају све очигледнија.

Према извештајима, капацитет пражњења литијум-јонских батерија на -20 ℃ је само око 31,5% од оног на собној температури. Традиционалне литијум-јонске батерије раде на температурама између -20~+55 ℃. Међутим, у областима као што су ваздухопловство, војна и електрична возила, батерије су потребне да нормално раде на -40 ℃. Због тога је побољшање нискотемпературних својстава литијум-јонских батерија од великог значаја.

Фактори који ограничавају перформансе литијум-јонских батерија на ниским температурама

• У окружењима са ниским температурама, вискозност електролита се повећава, па чак и делимично очвршћава, што доводи до смањења проводљивости литијум-јонских батерија.
• Компатибилност између електролита, негативне електроде и сепаратора се погоршава у окружењима са ниским температурама.
• У условима ниске температуре, негативна електрода литијум-јонских батерија доживљава озбиљне преципитације литијума, а исталожени метални литијум реагује са електролитом, што доводи до таложења производа који повећавају дебљину интерфејса електролита у чврстом стању (СЕИ).
• У окружењима са ниском температуром, систем дифузије унутар активног материјала литијум-јонских батерија се смањује, а импеданса преноса наелектрисања (Рцт) значајно се повећава.

Дискусија о факторима који утичу на нискотемпературне перформансе литијум-јонских батерија

Став стручњака 1: Електролит има највећи утицај на нискотемпературне перформансе литијум-јонских батерија, а састав и физичко-хемијска својства електролита имају значајан утицај на перформансе батерије на ниским температурама. Проблем са којим се суочавају батерије на ниским температурама је тај што ће се вискозитет електролита повећати, брзина проводљивости јона ће се успорити, узрокујући неусклађеност у брзини миграције електрона спољашњег кола, што резултира озбиљном поларизацијом батерије и нагло смањење капацитета пражњења. Нарочито када се пуни на ниским температурама, литијум јони могу лако да формирају литијум дендрите на површини негативне електроде, што доводи до квара батерије.

Нискотемпературни учинак електролита је уско повезан са проводљивошћу самог електролита. Електролити са високом проводљивошћу брзо транспортују јоне и могу да испоље већи капацитет на ниским температурама. Што се више литијумових соли у електролиту дисоцира, то више мигрирају и већа је њихова проводљивост. Што је већа проводљивост и бржа брзина јонске проводљивости, то је мања поларизација и боље перформансе батерије на ниским температурама. Због тога је висока проводљивост неопходан услов за постизање добрих нискотемпературних перформанси литијум-јонских батерија.

Проводљивост електролита је повезана са његовим саставом, а смањење вискозитета растварача је један од начина да се побољша проводљивост електролита. Добра течљивост растварача на ниским температурама је гаранција за транспорт јона, а филм чврстог електролита формиран од електролита на негативној електроди на ниским температурама је такође кључни фактор који утиче на проводљивост литијум јона, а РСЕИ је главна импеданса литијум-јона. јонске батерије у окружењима са ниским температурама.

Експерт 2: Главни фактор који ограничава перформансе литијум-јонских батерија на ниским температурама је брзо растућа импеданса дифузије Ли+ на ниским температурама, а не СЕИ мембране.

Карактеристике ниске температуре материјала позитивних електрода за литијум-јонске батерије

1. Карактеристике ниских температура слојевитих позитивних електродних материјала

Слојевита структура, са неупоредивим перформансама брзине у поређењу са једнодимензионалним литијум-јонским дифузионим каналима и структурном стабилношћу тродимензионалних канала, је најранији комерцијално доступан катодни материјал за литијум-јонске батерије. Његове репрезентативне супстанце укључују ЛиЦоО2, Ли (Цо1-кНик) О2 и Ли (Ни, Цо, Мн) О2.
Ксие Ксиаохуа и др. тестирали су нискотемпературне карактеристике пуњења и пражњења ЛиЦоО2/МЦМБ као предмета истраживања.
Резултати показују да како температура опада, плато пражњења опада са 3,762 В (0 ℃) на 3,207 В (-30 ℃); Укупни капацитет батерије је такође нагло смањен са 78,98 мА · х (0 ℃) на 68,55 мА · х (-30 ℃).

2. Карактеристике ниске температуре материјала позитивних електрода структуре спинела

ЛиМн2О4 катодни материјал са структуром спинела има предности ниске цене и нетоксичности због одсуства елемента Цо.
Међутим, променљива валентна стања Мн и Јахн Теллер ефекат Мн3+ резултирају структурном нестабилношћу и лошом реверзибилношћу ове компоненте.
Пенг Зхенгсхун и др. истакао је да различите методе припреме имају велики утицај на електрохемијске перформансе катодних материјала ЛиМн2О4. Узмимо Рцт као пример: Рцт ЛиМн2О4 синтетизованог високотемпературном методом чврсте фазе је значајно већи од оног синтетизованог методом сол гела, а овај феномен се такође одражава у коефицијенту дифузије литијум јона. Главни разлог за то је тај што различите методе синтезе имају значајан утицај на кристалност и морфологију производа.

3. Карактеристике ниске температуре материјала позитивних електрода фосфатног система

ЛиФеПО4, заједно са тернарним материјалима, постао је главни катодни материјал за електричне батерије због своје одличне запреминске стабилности и сигурности. Лоше перформансе литијум гвожђе фосфата на ниским температурама су углавном зато што је сам његов материјал изолатор, са ниском електронском проводљивошћу, лошом дифузијом литијум јона и лошом проводљивошћу на ниској температури, што повећава унутрашњи отпор батерије, у великој мери утиче на поларизацију, и омета пуњење и пражњење батерије. Због тога перформансе на ниским температурама нису идеалне.
Гу Иијие и др. открили да је куломбичка ефикасност ЛиФеПО4 смањена са 100% на 55 ℃ на 96% на 0 ℃ и 64% на -20 ℃, респективно, када се проучава његово понашање пражњења на ниским температурама; Напон пражњења опада са 3,11 В на 55 ℃ на 2,62 В на -20 ℃.
Ксинг ет ал. користио нано угљеник за модификовање ЛиФеПО4 и открио да додавање нано угљеника проводних агенаса смањује осетљивост електрохемијских перформанси ЛиФеПО4 на температуру и побољшава његове перформансе на ниским температурама; Напон пражњења модификованог ЛиФеПО4 смањен је са 3,40 В на 25 ℃ на 3,09 В на -25 ℃, уз смањење од само 9,12%; А ефикасност батерије је 57,3% на -25 ℃, већа од 53,4% без нано угљеник проводних агенаса.
Недавно је ЛиМнПО4 изазвао велико интересовање људи. Истраживања су открила да ЛиМнПО4 има предности као што су висок потенцијал (4,1В), без загађења, ниска цена и велики специфични капацитет (170мАх/г). Међутим, пошто ЛиМнПО4 има нижу јонску проводљивост од ЛиФеПО4, у пракси се често користи за делимично замену Мн са Фе да би се формирао ЛиМн0.8Фе0.2ПО4 чврсти раствор.

Карактеристике ниске температуре негативних електродних материјала за литијум-јонске батерије

У поређењу са материјалима позитивних електрода, нискотемпературно пропадање материјала негативних електрода у литијум-јонским батеријама је теже, углавном због следећа три разлога:

• Током ниске температуре и велике брзине пуњења и пражњења, поларизација батерије је озбиљна, а велика количина метала литијума се таложи на површини негативне електроде, а производи реакције између метала литијума и електролита углавном немају проводљивост;
• Из термодинамичке перспективе, електролит садржи велики број поларних група као што су Ц-О и Ц-Н, које могу да реагују са негативним материјалима електроде, што резултира СЕИ филмовима који су подложнији ниским температурама;
• Тешко је уградити литијум у угљеничне негативне електроде на ниским температурама, што доводи до асиметричног пуњења и пражњења.

Истраживање нискотемпературних електролита

Електролит игра улогу у преносу Ли+ у литијум-јонским батеријама, а његова јонска проводљивост и перформансе формирања СЕИ филма имају значајан утицај на перформансе батерије при ниским температурама. Постоје три главна индикатора за процену квалитета нискотемпературног електролита: јонска проводљивост, електрохемијски прозор и реакциона активност електроде. Ниво ова три индикатора у великој мери зависи од саставних материјала: растварача, електролита (литијумових соли) и адитива. Због тога је проучавање нискотемпературних перформанси различитих делова електролита од великог значаја за разумевање и побољшање нискотемпературних перформанси батерија.

• У поређењу са карбонатима ланаца, електролити на бази ЕЦ имају компактну структуру, велику силу и високу тачку топљења и вискозност. Међутим, велики поларитет који доноси кружна структура често доводи до велике диелектричне константе. Висока диелектрична константа, висока јонска проводљивост и одличне перформансе формирања филма ЕЦ растварача ефикасно спречавају заједничко уметање молекула растварача, чинећи их незаменљивим. Због тога су најчешће коришћени нискотемпературни електролитни системи засновани на ЕЦ и помешани са растварачима са малим молекулима ниске тачке топљења.
• 
  
• Литијумове соли су важна компонента електролита. Литијумове соли у електролитима могу не само да побољшају јонску проводљивост раствора, већ и да смање дифузиону удаљеност Ли+ у раствору. Уопштено говорећи, што је већа концентрација Ли+ у раствору, већа је његова јонска проводљивост. Међутим, концентрација литијум јона у електролиту није у линеарној корелацији са концентрацијом литијумових соли, већ је у параболичном облику. То је зато што концентрација литијум јона у растварачу зависи од јачине дисоцијације и асоцијације литијумових соли у растварачу.

Поред самог састава батерије, фактори процеса у практичном раду такође могу имати значајан утицај на перформансе батерије.

(1) Процес припреме. Иакуб ет ал. проучавао је утицај оптерећења електроде и дебљине превлаке на перформансе на ниским температурама ЛиНи0.6Цо0.2Мн0.2О2/Грапхите батерија и открио да у смислу задржавања капацитета, што је мање оптерећење електроде, то је тањи слој премаза и бољи његове перформансе на ниским температурама.

(2) Статус пуњења и пражњења. Петзл и др. проучавао је утицај услова пуњења и пражњења при ниским температурама на животни век батерија и открио да када је дубина пражњења велика, то ће изазвати значајан губитак капацитета и смањити животни век циклуса.

(3) Други фактори. Површина, величина пора, густина електрода, квашење између електроде и електролита и сепаратор електрода утичу на перформансе литијум-јонских батерија при ниским температурама. Поред тога, не може се занемарити утицај недостатака у материјалима и процесима на нискотемпературне перформансе батерија.

Резимирати

Да бисте обезбедили перформансе литијум-јонских батерија на ниским температурама, потребно је да урадите следеће:

(1) Формирање танког и густог СЕИ филма;

(2) Осигурати да Ли+ има велики коефицијент дифузије у активној супстанци;

(3) Електролити имају високу јонску проводљивост на ниским температурама.

Поред тога, истраживање такође може истражити нове путеве и фокусирати се на другу врсту литијум-јонских батерија - све чврсте литијум-јонске батерије. У поређењу са конвенционалним литијум-јонским батеријама, очекује се да ће све литијум-јонске батерије у чврстом стању, посебно све чврсте танкослојне литијум-јонске батерије, у потпуности решити проблем деградације капацитета и безбедност циклуса батерија које се користе на ниским температурама.