Зашто се капацитет литијумске батерије смањује зими

Зашто се капацитет литијумске батерије смањује зими

Зашто се капацитет литијумске батерије смањује зими?

  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. Употреба литијум-јонских батерија на ниским температурама има проблеме као што су мали капацитет, озбиљно слабљење, лоше перформансе циклуса, очигледна еволуција литијума и неуравнотежено уклањање и уметање литијума. Међутим, са континуираним ширењем поља примене, ограничења која доносе лоше перформансе литијум-јонских батерија на ниским температурама постају све очигледнија.

Откако су литијум-јонске батерије ушле на тржиште, нашле су широку примену 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, озбиљно слабљење, лоше перформансе циклуса, очигледне преципитације литијума и неуравнотежена деинтеркалација и деинтеркалација литијума. Међутим, како се поља примене и даље шире, 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, потребно је да батерија може нормално да ради на -40 ℃. Због тога је побољшање нискотемпературних својстава литијум-јонских батерија од великог значаја.

Према извештајима, капацитет пражњења литијум-јонских батерија на -20°Ц је само око 31,5% од оног на собној температури. Радна температура традиционалних литијум-јонских батерија је између -20~+55℃. Међутим, у ваздухопловству, војној индустрији, електричним возилима и другим областима, батерије су потребне да нормално раде на -40°Ц. Због тога је побољшање нискотемпературних својстава литијум-јонских батерија од великог значаја.

Фактори који ограничавају перформансе литијум-јонских батерија на ниским температурама

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.
• 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 ниском температуром.
• У окружењима са ниским температурама, компатибилност између електролита, негативне електроде и сепаратора постаје лошија.
  
• 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).
• Литијум се озбиљно исталожи из негативне електроде литијум-јонских батерија у окружењима са ниском температуром, а исталожени метални литијум реагује са електролитом, а таложење производа изазива повећање 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.
• У окружењима са ниским температурама, систем дифузије унутар активног материјала литијум-јонских батерија се смањује, а отпор преноса наелектрисања (Рцт) значајно расте.
  

Истраживање фактора који утичу на нискотемпературне перформансе литијум-јонских батерија

Дискусија о факторима 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.

Стручно мишљење 1: Електролит има највећи утицај на нискотемпературне перформансе литијум-јонских батерија. Састав и физичка и хемијска својства електролита имају важан утицај на нискотемпературне перформансе батерије. Проблем са којим се батерије сусрећу на ниским температурама је тај што ће се вискозност електролита повећати и брзина јонске проводљивости ће се успорити, што ће резултирати неусклађеношћу у брзини миграције електрона спољашњег кола поларизован и капацитет пуњења и пражњења ће бити нагло смањен. Нарочито када се пуни на ниским температурама, литијум јони могу лако да формирају литијум дендрите на површини негативне електроде, узрокујући квар 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.

Нискотемпературни учинак електролита је уско повезан са проводљивошћу самог електролита. Што је више литијумових соли у електролиту дисоцирано, то је већи број миграција и већа је проводљивост. Проводљивост је висока, а што је бржа брзина јонске проводљивости, то је мања поларизација и боље перформансе батерије на ниским температурама. Због тога је већа електрична 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.

Проводљивост електролита је повезана са саставом електролита Смањење вискозности растварача је један од начина да се побољша проводљивост електролита. Добра флуидност растварача на ниским температурама обезбеђује транспорт јона, а чврсти филм електролита формиран од електролита на негативној електроди на ниским температурама је такође кључ за утицај на проводљивост литијум јона, а РСЕИ је главна импеданса литијум-јонских батерија 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.

Експерт 2: Главни фактор који ограничава перформансе литијум-јонских батерија на ниским температурама је нагло повећање отпора дифузије Ли+ на ниским температурама, а не СЕИ филма.

Карактеристике ниске температуре позитивних електродних материјала за литијум-јонске батерије

Карактеристике ниских температура катодних материјала литијум-јонских батерија

1. Карактеристике ниских температура слојевитих позитивних електродних материјала

1. Карактеристике ниских температура катодних материјала слојевите структуре

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.

Слојевита структура не само да има неупоредиву брзину једнодимензионалних литијум-јонских дифузионих канала, већ има и структурну стабилност тродимензионалних канала. Његове репрезентативне супстанце укључују ЛиЦоО2, Ли(Цо1-кНик)О2 и Ли(Ни,Цо,Мн)О2, итд.

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

Ксие Ксиаохуа и други су користили ЛиЦоО2/МЦМБ као објекат истраживања и тестирали његове карактеристике пуњења и пражњења при ниској температури.

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 ℃).

Резултати показују да како температура опада, његова платформа за пражњење опада са 3,762 В (0℃) на 3,207 В (–30℃) такође нагло пада са 78,98 мА·х (0℃) на 68,55 мА·х; (–30°Ц).

2. Карактеристике ниске температуре катодних материјала са структуром спинела

2. Карактеристике ниске температуре катодних материјала спинелне структуре

ЛиМн2О4 катодни материјал са структуром спинела има предности ниске цене и нетоксичности због одсуства елемента Цо.

ЛиМн2О4 катодни материјал са структуром спинела не садржи Цо елемент, тако да има предности ниске цене и нетоксичности.

Међутим, променљива валентна стања Мн и Јахн Теллер ефекат Мн3+ резултирају структурном нестабилношћу и лошом реверзибилношћу ове компоненте.

Међутим, променљиво валентно стање Мн и Јахн-Теллер ефекат Мн3+ доводе до структурне нестабилности и лоше реверзибилности 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.

Пенг Зхенгсхун и сарадници су истакли да различите методе припреме имају већи утицај на електрохемијске перформансе ЛиМн2О4 као пример: Рцт ЛиМн2О4 синтетизованог високотемпературном методом у чврстој фази је знатно већи од оног који је синтетизован. сол-гел методом, а ова појава се јавља и у литијум-јонима. Разлог је углавном у томе што различите методе синтезе имају већи утицај на кристалност и морфологију производа.

3. Нискотемпературне карактеристике катодних материјала фосфатног система

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. 

ЛиМн2О4 катодни материјал са структуром спинела не садржи Цо елемент, тако да има предности ниске цене и нетоксичности.

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.

Због своје одличне запреминске стабилности и сигурности, ЛиФеПО4, заједно са тернарним материјалима, постао је главни део актуелних катодних материјала за електричне батерије. Лоше перформансе литијум гвожђе фосфата на ниским температурама су углавном зато што је сам материјал изолатор, са ниском електронском проводљивошћу, слабом дифузијом литијум јона и слабом проводљивошћу на ниским температурама, што повећава унутрашњи отпор батерије и на њега у великој мери утиче поларизација Пуњење и пражњење батерије су блокирани, тако да перформансе на ниским температурама нису идеалне.

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 ℃.

Када су Гу Иијие и сарадници проучавали понашање наелектрисања и пражњења ЛиФеПО4 на ниским температурама, открили су да је његова куломбичка ефикасност пала са 100% на 55°Ц на 96% на 0°Ц и 64% на –20°Ц напон пражњења је опао са 3,11 В на 55°Ц.

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.

Ксинг и сарадници су користили наноугљеник да модификују ЛиФеПО4 и открили су да су након додавања наноугљеника проводљивог агенса, електрохемијске особине ЛиФеПО4 биле мање осетљиве на температуру и да су перформансе на ниским температурама побољшане након модификације, напон пражњења ЛиФеПО4 се повећао са 3,40 на 3,40 на 25°Ц В пао на 3,09 В на –25°Ц, смањење од само 9,12% и ефикасност батерије на –25°Ц била је 57,3%, више од 53,4% без наноугљеника.

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.

Недавно је ЛиМнПО4 привукао велико интересовање. Истраживања су открила да ЛиМнПО4 има предности високог потенцијала (4,1В), без загађења, ниске цене и великог специфичног капацитета (170мАх/г). Међутим, због ниже јонске проводљивости ЛиМнПО4 од ЛиФеПО4, Фе се често користи да делимично замени Мн у пракси да би се формирао чврсти раствор ЛиМн0.8Фе0.2ПО4.

Карактеристике ниске температуре негативних електродних материјала за литијум-јонске батерије

Нискотемпературна својства анодних материјала литијум-јонских батерија

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:

У поређењу са катодним материјалима, нискотемпературно пропадање анодних материјала литијум-јонских батерија је озбиљније: постоје три главна 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;
• Приликом пуњења и пражњења на ниским температурама и при високим брзинама, батерија је јако поларизована, а велика количина металног литијума се таложи на површини негативне електроде, а производ реакције између металног литијума и електролита генерално није проводљив;
  
• 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;
• Са термодинамичке тачке гледишта, електролит садржи велики број поларних група као што су Ц–О и Ц–Н, које могу да реагују са анодним материјалом, а формирани СЕИ филм је подложнији ниским температурама;
  
• Тешко је уградити литијум у угљеничне негативне електроде на ниским температурама, што доводи до асиметричног пуњења и пражњења.
• Угљеничним негативним електродама је тешко убацити литијум на ниским температурама, а постоји и асиметрија у наелектрисању и пражњењу.
  

Истраживање нискотемпературних електролита

Истраживање нискотемпературног 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.

Електролит игра улогу у транспорту Ли+ у литијум-јонским батеријама, а његова јонска проводљивост и својства стварања филма СЕИ имају значајан утицај на перформансе батерије при ниским температурама. Постоје три главна индикатора за процену квалитета нискотемпературних електролита: јонска проводљивост, електрохемијски прозор и реактивност електрода. Нивои ова три индикатора у великој мери зависе од саставних материјала: растварача, електролита (литијумове соли) и адитива. Због тога је проучавање нискотемпературних својстава различитих делова електролита од великог значаја за разумевање и побољшање перформанси батерије на ниским температурама.

• 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.
• У поређењу са ланчаним карбонатима, нискотемпературне карактеристике електролита заснованих на ЕЦ су да циклични карбонати имају чврсту структуру, јаку силу и вишу тачку топљења и вискозност. Међутим, велики поларитет који доноси структура прстена често чини да има велику диелектричну константу. Велика диелектрична константа, висока јонска проводљивост и одлична својства формирања филма ЕЦ растварача ефикасно спречавају заједничко уметање молекула растварача, што их чини незаменљивим. Стога се најчешће коришћени нискотемпературни електролитни системи заснивају на ЕЦ, а затим мешани молекулски растварач са ниском тачком 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.

• Литијумова со је важна компонента електролита. Литијумова со у електролиту не само да може повећати јонску проводљивост раствора, већ и смањити 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 линеарно повезана са концентрацијом литијумове соли, већ је параболична. То је зато што концентрација литијум јона у растварачу зависи од јачине дисоцијације и асоцијације литијумове соли у растварачу.

  
  

Истраживање нискотемпературних електролита

Истраживање нискотемпературног електролита

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

Поред самог састава батерије, фактори процеса у стварном раду такође ће имати велики 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.

(1) Процес припреме. Иакуб и сар. проучавали су ефекте оптерећења електродама и дебљине превлаке на нискотемпературне перформансе ЛиНи0.6Цо0.2Мн0.2О2/Грапхите батерија и открили да је у смислу задржавања капацитета мање оптерећење електрода и тањи слој превлаке. , боље 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.

(2) Стање пуњења и пражњења. Петзл и сарадници проучавали су утицај нискотемпературних стања пуњења и пражњења на животни век батерије и открили да када је дубина пражњења велика, то ће узроковати већи губитак капацитета и смањити животни век.

(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.

(3) Други фактори. Површина, величина пора, густина електроде електроде, квашење електроде и електролита и сепаратор 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.

Резиме

Резимирати

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.

Да би се обезбедиле перформансе литијум-јонских батерија на ниским температурама, потребно је урадити следеће:

(1) Формирајте танак и густ СЕИ филм;

(2) Осигурати да Ли+ има велики коефицијент дифузије у активном материјалу;

(3) Електролит има високу јонску проводљивост на ниским температурама.

Поред тога, истраживање такође може пронаћи други начин да се фокусира на другу врсту литијум-јонске батерије - потпуно чврсте литијум-јонске батерије. У поређењу са конвенционалним литијум-јонским батеријама, очекује се да ће потпуно чврсте литијум-јонске батерије, посебно потпуно чврсте танкослојне литијум-јонске батерије, у потпуности решити проблем слабљења капацитета и питања безбедности циклуса батерија које се користе у ниске температуре.