Зашто се капацитет литијумске батерије смањује зими?

Зашто се капацитет литијумске батерије смањује зими

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, потребно је да батерија може нормално да ради 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 ниском температуром, вискозност електролита се повећава, па чак и делимично учвршћује, што доводи до смањења проводљивости литијум-јонских батерија.
• Компатибилност између електролита, негативне електроде и сепаратора се погоршава у окружењима са ниском температуром.
• Негативна електрода литијум-јонских батерија у окружењима са ниским температурама доживљава озбиљне преципитације литијума, а исталожени метални литијум реагује са електролитом, што резултира таложењем његових производа и повећањем дебљине интерфејса чврстог електролита (СЕИ).
• У окружењима са ниском температуром, систем дифузије литијум-јонских батерија унутар активног материјала опада, а импеданса преноса наелектрисања (Рцт) значајно расте.

Истраживање фактора који утичу на нискотемпературне перформансе литијум-јонских батерија

Мишљење стручњака 1: Електролит има највећи утицај на нискотемпературне перформансе литијум-јонских батерија, а састав и физичко-хемијска својства електролита имају важан утицај на нискотемпературне перформансе батерија. Проблем са којим се суочава нискотемпературно кружење батерија је тај што се вискозитет електролита повећава, брзина проводљивости јона успорава, а брзина миграције електрона у спољашњем колу се не поклапа, што доводи до озбиљне поларизације батерије и оштрог смањење капацитета пуњења и 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 његовом сопственом проводљивошћу. Електролити са високом проводљивошћу брзо транспортују јоне и могу да испоље већи капацитет на ниским температурама. Што се више соли литијума дисоцира у електролиту, то је већа миграција и већа је проводљивост. Што је већа проводљивост и бржа брзина јонске проводљивости, мања је примљена поларизација и боље перформансе батерије на ниским температурама. Због тога је већа 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 флуидност 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 мембрана.

Карактеристике ниске температуре позитивних електродних материјала 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 материјал позитивних електрода за литијум-јонске батерије. Његове репрезентативне супстанце укључују ЛиЦоО2, Ли (Цо1 кНик) О2 и Ли (Ни, Цо, Мн) О2.

Ксие Ксиаохуа и др. проучавао ЛиЦоО2/МЦМБ и тестирао његове карактеристике пуњења и пражњења при ниским температурама.

Резултати су показали да како се температура смањивала, плато пражњења се смањио 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 катодних материјала са структуром 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. Нискотемпературне карактеристике катодних материјала фосфатног система

ЛиФеПО4, заједно са тернарним материјалима, постао је главни материјал позитивних електрода за електричне батерије због своје одличне запреминске стабилности и сигурности. Лоше перформансе литијум гвожђе фосфата на ниским температурама су углавном због његовог материјала који је изолатор, ниске електронске проводљивости, лоше дифузије литијум јона и лоше проводљивости на ниским температурама, што повећава унутрашњи отпор батерије и на њега у великој мери утиче поларизација. , омета пуњење и пражњење батерије, што доводи до незадовољавајућег рада на ниским температурама.

Приликом проучавања понашања наелектрисања и пражњења ЛиФеПО4 на ниским температурама, Гу Иијие ет ал. открили да је његова куломбичка ефикасност смањена са 100% на 55 ℃ на 96% на 0 ℃ и 64% на -20 ℃, респективно; Напон пражњења опада са 3,11 В на 55 ℃ на 2,62 В на -20 ℃.

Ксинг ет ал. модификовао ЛиФеПО4 коришћењем наноугљеника и открио да додавање наноугљеника 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 нанокарбонских 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, због ниже јонске проводљивости ЛиМнПО4 у поређењу са ЛиФеПО4, Фе се у пракси често користи да делимично замени Мн да би се формирали чврсти раствори ЛиМн0.8Фе0.2ПО4.

Карактеристике ниске температуре негативних електродних материјала за литијум-јонске батерије

У поређењу са материјалима позитивних електрода, феномен деградације на ниској температури негативних електродних материјала у литијум-јонским батеријама је озбиљнији, углавном због следећа три разлога:

• Током пуњења и пражњења на ниским температурама, поларизација батерије је озбиљна, а велика количина метала литијума се таложи на површини негативне електроде, а производи реакције између метала литијума и електролита генерално 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 ефектима ниских температура;
• 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 нискотемпературних електролита: јонска проводљивост, електрохемијски прозор и реакциона активност електрода. 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 ланчаним карбонатима, електролити на бази ЕЦ имају компактну структуру, велику силу интеракције и вишу тачку топљења и вискозитет. Међутим, велики поларитет који доноси кружна структура често доводи до високе 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 показује параболички облик. 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 при ниским температурама ЛиНи0.6Цо0.2Мн0.2О2/Грапхите батерија и открио да у смислу задржавања капацитета, што је мање оптерећење електроде и тањи слој премаза, то је бољи његов 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 утичу на перформансе литијум-јонских батерија при ниским температурама. Поред тога, не може се занемарити утицај недостатака материјала и процеса на нискотемпературне перформансе батерија.

Sзавршити

Да бисте обезбедили перформансе литијум-јонских батерија на ниским температурама, следеће тачке треба да се добро ураде:

(1) Формирање танког и густог СЕИ филма;

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

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

Поред тога, истраживање може имати другачији приступ и фокусирати се на другу врсту литијум-јонске батерије – све чврсте литијум-јонске батерије. У поређењу са конвенционалним литијум-јонским батеријама, очекује се да ће све чврсте литијум-јонске батерије, посебно све чврсте танкослојне литијум-јонске батерије, у потпуности решити проблем деградације капацитета и сигурност циклуса батерија које се користе на ниским температурама.