Зошто капацитетот на литиумските батерии се намалува во зима? Конечно, некој може да објасни!

Зошто капацитетот на литиумските батерии се намалува во зима? Конечно, некој може да објасни!

Откако се појавија на пазарот, литиум-јонските батерии се широко користени поради нивните предности како што се долг животен век, голем специфичен капацитет и без мемориски ефект. Литиум јонските батерии кои се користат на ниски температури имаат проблеми како што се низок капацитет, сериозно слабеење, слаби перформанси на возење велосипед, очигледна еволуција на литиум и неурамнотежено отстранување и вметнување на литиум. Меѓутоа, со континуираното проширување на полињата за примена, ограничувањата предизвикани од слабите перформанси на литиум-јонските батерии на ниски температури стануваат сè поочигледни.

Според извештаите, капацитетот за празнење на литиум-јонските батерии на -20 ℃ е само околу 31,5% од оној на собна температура. Традиционалните литиум-јонски батерии работат на температури помеѓу -20~+55 ℃. Меѓутоа, во областите како што се воздушната, војската и електричните возила, батериите треба да работат нормално на -40 ℃. Затоа, подобрувањето на нискотемпературните својства на литиум-јонските батерии е од големо значење.

Фактори кои ги ограничуваат перформансите на ниски температури на литиум-јонските батерии

• Во средини со ниски температури, вискозноста на електролитот се зголемува, па дури и делумно се зацврстува, што доведува до намалување на спроводливоста на литиум-јонските батерии.
• Компатибилноста помеѓу електролитот, негативната електрода и сепараторот се влошува во средини со ниска температура.
• При ниски температурни услови, негативната електрода на литиум-јонските батерии доживува силно литиумско таложење, а таложениот метал литиум реагира со електролитот, што резултира со таложење на производи кои ја зголемуваат дебелината на интерфејсот на електролит во цврста состојба (SEI).
• Во средини со ниски температури, системот за дифузија во активниот материјал на литиум-јонските батерии се намалува, а импедансата за пренос на полнеж (Rct) значително се зголемува.

Дискусија за факторите кои влијаат на перформансите на ниски температури на литиум-јонските батерии

Експертско гледиште 1: Електролитот има најголемо влијание врз перформансите на ниски температури на литиум-јонските батерии, а составот и физичко-хемиските својства на електролитот имаат значително влијание врз перформансите на батеријата при ниски температури. Проблемот со кој се соочува цикирањето на батериите при ниски температури е тоа што вискозноста на електролитот ќе се зголеми, брзината на јонската спроводливост ќе се забави, предизвикувајќи неусогласеност во брзината на миграција на електроните на надворешното коло, што резултира со силна поларизација на батеријата и нагло намалување на капацитетот за празнење на полнежот. Особено кога се полни на ниски температури, јоните на литиум лесно можат да формираат литиумски дендрити на површината на негативната електрода, што доведува до откажување на батеријата.

Изведбата на електролитите при ниска температура е тесно поврзана со спроводливоста на самиот електролит. Електролитите со висока спроводливост ги транспортираат јоните брзо и можат да вложат поголем капацитет при ниски температури. Колку повеќе соли на литиум во електролитот дисоцираат, толку повеќе мигрираат и поголема е нивната спроводливост. Колку е поголема спроводливоста и колку е поголема стапката на јонска спроводливост, толку е помала поларизацијата и подобри перформанси на батеријата при ниски температури. Затоа, високата спроводливост е неопходен услов за постигнување добри ниски температурни перформанси на литиум-јонските батерии.

Спроводливоста на електролитот е поврзана со неговиот состав, а намалувањето на вискозноста на растворувачот е еден од начините за подобрување на спроводливоста на електролитот. Добрата проточност на растворувачите при ниски температури е гаранција за транспорт на јони, а цврстата електролитна фолија формирана од електролитот на негативната електрода при ниски температури е исто така клучен фактор што влијае на спроводливоста на литиум јони, а RSEI е главната импеданса на литиум- јонски батерии во средини со ниски температури.

Експерт 2: Главниот фактор што ги ограничува перформансите на ниски температури на литиум-јонските батерии е брзо зголемената импеданса на Li+дифузија при ниски температури, наместо SEI мембраните.

Карактеристики на ниска температура на материјали за позитивни електроди за литиум-јонски батерии

1. Карактеристики на ниска температура на слоевите позитивни електроди материјали

Слоевната структура, со неспоредливи перформанси во споредба со еднодимензионалните литиум-јонски дифузни канали и структурна стабилност на тридимензионалните канали, е најраниот комерцијално достапен катоден материјал за литиум-јонски батерии. Неговите репрезентативни супстанции вклучуваат LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2 и Li (Ni, Co, Mn) O2.
Xie Xiaohua и сор. ги тестираше карактеристиките на полнење и празнење на ниска температура на LiCoO2/MCMB како предмет на истражување.
Резултатите покажуваат дека како што температурата се намалува, платото на празнење се намалува од 3,762 V (0 ℃) на 3,207 V (-30 ℃); Вкупниот капацитет на батеријата исто така нагло се намали од 78,98 mA · h (0 ℃) на 68,55 mA · h (-30 ℃).

2. Карактеристики на ниска температура на материјалите на позитивните електроди на структурата на спинелот

Катодниот материјал LiMn2O4 структуиран со спинел ги има предностите на ниската цена и нетоксичноста поради неговото отсуство на Co елемент.
Сепак, променливите валентни состојби на Mn и Џан Телеровиот ефект на Mn3+ резултираат со структурна нестабилност и слаба реверзибилност на оваа компонента.
Пенг Женгшун и сор. истакна дека различните методи на подготовка имаат големо влијание врз електрохемиските перформанси на катодните материјали LiMn2O4. Земете Rct како пример: Rct на LiMn2O4 синтетизиран со методот на цврста фаза на висока температура е значително повисок од оној синтетизиран со методот на сол гел, а овој феномен се рефлектира и во коефициентот на дифузија на литиум јони. Главната причина за ова е што различните методи на синтеза имаат значително влијание врз кристалиноста и морфологијата на производите.

3. Карактеристики на ниска температура на материјалите со позитивни електроди од фосфатниот систем

LiFePO4, заедно со тројните материјали, стана главен катоден материјал за напојување на батериите поради одличната стабилност на волуменот и безбедноста. Лошите ниски температурни перформанси на литиум железо фосфат се главно поради тоа што неговиот материјал сам по себе е изолатор, со ниска електронска спроводливост, слаба дифузија на литиум јони и слаба спроводливост при ниска температура, што го зголемува внатрешниот отпор на батеријата, во голема мера влијае на поларизацијата. и го попречува полнењето и празнењето на батеријата. Затоа, перформансите на ниска температура не се идеални.
Гу Јиџи и сор. покажа дека куломската ефикасност на LiFePO4 се намалила од 100% на 55 ℃ на 96% на 0 ℃ и 64% на -20 ℃, соодветно, при проучување на неговото однесување на празнење на полнеж при ниски температури; Напонот на празнење се намалува од 3,11 V на 55 ℃ на 2,62 V на -20 ℃.
Ксинг и сор. користел нано-јаглерод за да го измени LiFePO4 и открил дека додавањето нано-јаглеродни спроводливи агенси ја намалува чувствителноста на електрохемиските перформанси на LiFePO4 на температура и ги подобрува неговите перформанси при ниски температури; Напонот на празнење на модифицираниот LiFePO4 се намали од 3,40 V на 25 ℃ на 3,09 V на -25 ℃, со намалување од само 9,12%; И неговата ефикасност на батеријата е 57,3% на -25 ℃, повисока од 53,4% без нано-јаглеродни спроводливи агенси.
Неодамна, LiMnPO4 предизвика силен интерес кај луѓето. Истражувањата покажаа дека LiMnPO4 има предности како што се висок потенцијал (4,1 V), нема загадување, ниска цена и голем специфичен капацитет (170 mAh/g). Меѓутоа, бидејќи LiMnPO4 има пониска јонска спроводливост од LiFePO4, тој често се користи во пракса за делумно да се замени Mn со Fe за да се формира LiMn0.8Fe0.2PO4 цврст раствор.

Нискотемпературни карактеристики на негативни електроди материјали за литиум-јонски батерии

Во споредба со материјалите со позитивни електроди, нискотемпературното влошување на материјалите од негативните електроди во литиум-јонските батерии е потешко, главно поради следните три причини:

• За време на полнење и празнење со ниска температура и висока стапка, поларизацијата на батеријата е сериозна, а на површината на негативната електрода се наталожува голема количина литиум метал, а производите на реакција помеѓу литиум метал и електролит генерално немаат спроводливост;
• Од термодинамичка перспектива, електролитот содржи голем број на поларни групи како што се C-O и C-N, кои можат да реагираат со негативни електроди материјали, што резултира со SEI филмови кои се поподложни на ниски температури;
• Тешко е да се вгради литиум во јаглеродни негативни електроди при ниски температури, што резултира со асиметрично полнење и празнење.

Истражување за ниски температурни електролити

Електролитот игра улога во пренесувањето на Li+ во литиум-јонските батерии, а неговата јонска спроводливост и перформансите за формирање на SEI филм имаат значително влијание врз перформансите на батеријата при ниски температури. Постојат три главни индикатори за оценување на квалитетот на нискотемпературниот електролит: јонска спроводливост, електрохемиски прозорец и активност на реакција на електродата. Нивото на овие три индикатори во голема мера зависи од нивните составни материјали: растворувачи, електролити (литиумови соли) и адитиви. Затоа, проучувањето на перформансите на ниски температури на различни делови од електролитот е од големо значење за разбирање и подобрување на перформансите на батериите при ниски температури.

• Во споредба со синџирните карбонати, електролитите базирани на ЕС имаат компактна структура, висока сила и висока точка на топење и вискозитет. Сепак, големиот поларитет предизвикан од кружната структура често доведува до голема диелектрична константа. Високата диелектрична константа, високата јонска спроводливост и одличните перформанси на EC растворувачите за формирање филм ефикасно го спречуваат вметнувањето на молекулите на растворувачите, што ги прави незаменливи. Затоа, најчесто користените електролитни системи со ниска температура се базираат на EC и се мешаат со растворувачи со мала молекула со ниска точка на топење.
• 
  
• Литиумските соли се важна компонента на електролитите. Литиумските соли во електролитите не само што можат да ја подобрат јонската спроводливост на растворот, туку и да го намалат дифузното растојание на Li+ во растворот. Општо земено, колку е поголема концентрацијата на Li+ во растворот, толку е поголема неговата јонска спроводливост. Сепак, концентрацијата на литиумските јони во електролитот не е линеарно корелирана со концентрацијата на соли на литиум, туку во параболична форма. Тоа е затоа што концентрацијата на литиумските јони во растворувачот зависи од јачината на дисоцијацијата и асоцијацијата на солите на литиум во растворувачот.

Покрај самиот состав на батеријата, процесните фактори во практичното работење исто така можат да имаат значително влијание врз перформансите на батеријата.

(1) Процес на подготовка. Јакуб и сор. ги проучувал ефектите на оптоварувањето на електродата и дебелината на облогата врз перформансите на ниски температури на LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite батериите и откриле дека во однос на задржувањето на капацитетот, колку е помало оптоварувањето на електродата, толку е потенок слојот на облогата и подобро неговите перформанси на ниски температури.

(2) Статус на полнење и празнење. Пецл и сор. го проучувал ефектот на условите за полнење и празнење со ниска температура врз циклусот на траење на батериите и открил дека кога длабочината на празнење е голема, тоа ќе предизвика значително губење на капацитетот и ќе го намали животниот век на циклусот.

(3) Други фактори. Површината, големината на порите, густината на електродата, влажноста помеѓу електродата и електролитот и сепараторот на електродите, сето тоа влијае на перформансите на литиум-јонските батерии при ниски температури. Покрај тоа, не може да се игнорира влијанието на дефектите во материјалите и процесите врз перформансите на батериите при ниска температура.

Резимирајте

За да обезбедите перформанси на ниски температури на литиум-јонските батерии, неопходно е да го направите следново:

(1) Формирање на тенок и густ SEI филм;

(2) Осигурајте се дека Li+ има голем коефициент на дифузија во активната супстанција;

(3) Електролитите имаат висока јонска спроводливост при ниски температури.

Покрај тоа, истражувањето може да истражи и нови патишта и да се фокусира на друг тип на литиум-јонски батерии - сите литиум-јонски батерии во цврста состојба. Во споредба со конвенционалните литиум-јонски батерии, сите литиум-јонски батерии во цврста состојба, особено сите литиум-јонски батерии со тенок филм во цврста состојба, се очекува целосно да ги решат проблемите со деградацијата на капацитетот и безбедноста при возење велосипед на батериите што се користат на ниски температури.