Зошто капацитетот на литиумските батерии се намалува во зима?

Зошто капацитетот на литиумските батерии се намалува во зима?

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. Употребата на литиум-јонски батерии со ниска температура има проблеми како што се низок капацитет, сериозно слабеење, слаба изведба на брзината на циклусот, очигледна еволуција на литиум и неурамнотежено отстранување и вметнување на литиум. Сепак, со континуираното проширување на полињата за примена, ограничувањата што ги носи слабите перформанси на литиум-јонските батерии при 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, потребно е батеријата да може нормално да работи 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 ниски температури.
• Негативната електрода на литиум-јонските батерии во средини со ниски температури доживува сериозни врнежи од литиум, а таложениот метален литиум реагира со електролитот, што резултира со таложење на неговите производи и зголемување на дебелината на интерфејсот на цврстиот електролит (SEI).
• Во средини со ниски температури, системот за дифузија на литиум-јонските батерии во активниот материјал се намалува, а импедансата за пренос на полнеж (Rct) значително се зголемува.

Истражување на факторите кои влијаат на перформансите на ниски температури на литиум-јонските батерии

Експертско мислење 1: Електролитот има најголемо влијание врз перформансите на литиум-јонските батерии при ниски температури, а составот и физичко-хемиските својства на електролитот имаат важно влијание врз перформансите на батериите при ниски температури. Проблемот со кој се соочува циклирањето на батериите при ниски температури е тоа што вискозноста на електролитот се зголемува, брзината на јонската спроводливост се забавува и брзината на миграција на електроните во надворешното коло не се совпаѓа, што резултира со силна поларизација на батеријата и остар намалување на капацитетот за полнење и празнење. 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.

Перформансите на ниски температури на електролитот се тесно поврзани со неговата спроводливост. Електролитите со висока спроводливост ги транспортираат јоните брзо и можат да вложат поголем капацитет при ниски температури. Колку повеќе соли на литиум се дисоцираат во електролитот, толку повеќе се јавува миграција и поголема спроводливост. Колку е поголема спроводливоста и колку е поголема стапката на јонска спроводливост, толку е помала добиената поларизација и подобри перформанси на батеријата при ниски температури. Затоа, поголемата спроводливост е неопходен услов за постигнување добри перформанси на ниски температури 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 флуидност 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 мембраната.

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 материјал за позитивни електроди за литиум-јонски батерии. Неговите репрезентативни супстанции вклучуваат LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 и Li (Ni, Co, Mn) O2.

Xie Xiaohua и сор. го проучувал LiCoO2/MCMB и ги тестирал неговите карактеристики за полнење и празнење при ниска температура.

Резултатите покажаа дека како што температурата се намалуваше, платото на испуштање се намали 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 спинел структурирани катодни материјали

Катодниот материјал LiMn2O4 структуриран 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 кристалноста и морфологијата на производите.

3. Карактеристики на ниска температура на катодните материјали на фосфатниот систем

LiFePO4, заедно со тројните материјали, стана главен материјал за позитивна електрода за напојување на батериите поради одличната стабилност на волуменот и безбедноста. Лошите ниски температурни перформанси на литиум железо фосфатот главно се должат на неговиот материјал кој е изолатор, ниската електронска спроводливост, слабата дифузија на литиум јони и слабата спроводливост при ниски температури, што го зголемува внатрешниот отпор на батеријата и е во голема мера под влијание на поларизацијата. , го попречува полнењето и празнењето на батеријата, што резултира со незадоволителни перформанси при ниски температури.

При проучување на однесувањето на полнење и празнење на LiFePO4 на ниски температури, Гу Јиџи и сор. откриле дека неговата куломска ефикасност се намалила од 100% на 55 ℃ на 96% на 0 ℃ и 64% на -20 ℃, соодветно; Напонот на празнење се намалува од 3,11 V на 55 ℃ на 2,62 V на -20 ℃.

Ксинг и сор. го измени LiFePO4 користејќи нанојаглерод и откри дека додавањето на нанојаглеродни спроводливи агенси ја намалува чувствителноста на електрохемиските перформанси на LiFePO4 на температура и ги подобри 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 нанојаглеродни 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). Сепак, поради помалата јонска спроводливост на LiMnPO4 во споредба со LiFePO4, Fe често се користи за делумно замена на Mn за да се формираат LiMn0.8Fe0.2PO4 цврсти раствори во пракса.

Нискотемпературни карактеристики на негативни електроди материјали за литиум-јонски батерии

Во споредба со материјалите со позитивни електроди, феноменот на деградација на ниска температура на материјалите од негативни електроди во литиум-јонските батерии е потежок, главно поради следните три причини:

• За време на полнење и празнење со висока стапка на ниска температура, поларизацијата на батеријата е тешка, а голема количина литиум метал се таложи на површината на негативната електрода, а производите на реакцијата 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 електродни материјали, што резултира со SEI филмови кои се поподложни на ефекти на ниска температура;
• 
  
• 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 електролитите со ниска температура: 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 EC имаат компактна структура, висока сила на интеракција и повисока точка на топење и вискозност. Сепак, големиот поларитет што го носи кружната структура често резултира со висока 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 покажува 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.

Истражување за ниски температурни електролити

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. го проучувале ефектот на оптоварувањето на електродата и дебелината на облогата врз перформансите при ниска температура на батериите LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/графит и откриле дека во однос на задржување на капацитетот, колку е помало оптоварувањето на електродата и колку е потенок слојот на облогата, толку е подобар нејзиниот перформанси при ниска температура.

(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, сето тоа влијае на перформансите на литиум-јонските батерии при ниски температури. Покрај тоа, не може да се игнорира влијанието на дефектите на материјалот и процесот врз перформансите на батериите при ниска температура.

Сумирајте

За да се обезбедат перформанси на ниски температури на литиум-јонските батерии, треба добро да се направат следниве точки:

(1) Формирање на тенок и густ SEI филм;

(2) Обезбедете Li+ да има висок коефициент на дифузија во активната супстанција;

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

Дополнително, истражувањето може да има поинаков пристап 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 слој 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.