Зошто капацитетот на литиумските батерии се намалува во зима?

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.

Откако литиум-јонските батерии влегоа на пазарот, тие се широко користени поради нивните предности како што се долгиот век на траење, големиот специфичен капацитет и без мемориски ефект. Литиум-јонските батерии што се користат на ниски температури имаат проблеми како што се низок капацитет, сериозно слабеење, слаба изведба на брзината на циклусот, очигледни врнежи од литиум и неурамнотежена деинтеркалација и деинтеркалација на литиум. Меѓутоа, како што полето на апликацијата продолжува да се проширува, 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, потребно е батеријата да може нормално да работи на -40 ℃. Затоа, подобрувањето на нискотемпературните својства на литиум-јонските батерии е од големо значење.

Според извештаите, капацитетот за празнење на литиум-јонските батерии на -20°C е само околу 31,5% од оној на собна температура. Работната температура на традиционалните литиум-јонски батерии е помеѓу -20~+55℃. Меѓутоа, во воздушната, воената индустрија, електричните возила и други области, батериите треба да работат нормално на -40°C. 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

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.
• Во средини со ниски температури, вискозноста на електролитот се зголемува, па дури и делумно се зацврстува, што предизвикува намалување на спроводливоста на литиум-јонските батерии.
  
• Компатибилноста помеѓу електролитот, негативната електрода и сепараторот се влошува во средини со ниски температури.
• Во средини со ниски температури, компатибилноста помеѓу електролитот, негативната електрода и сепараторот станува полоша.
  
• 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).
• Литиумот сериозно се таложи од негативната електрода на литиум-јонските батерии во средини со ниски температури, а таложениот метален литиум реагира со електролитот, а таложењето на производот предизвикува 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.
• Во средини со ниски температури, системот за дифузија во активниот материјал на литиум-јонските батерии се намалува, а отпорноста на пренос на полнеж (Rct) значително се зголемува.
  

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

Дискусија за 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.

Експертско мислење 1: Електролитот има најголемо влијание врз перформансите на литиум-јонските батерии при ниска температура. Проблемот со кој се соочуваат батериите што се движат на ниски температури е дека вискозноста на електролитот ќе се зголеми и брзината на спроводливоста на јоните ќе се забави, што ќе резултира со неусогласеност во брзината на миграција на електроните на надворешното коло поларизиран, а капацитетот за полнење и празнење нагло ќе се намали. Особено кога се полни на ниски температури, јоните на литиум лесно можат да формираат литиумски дендрити на површината на негативната електрода, предизвикувајќи дефект 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.

Електролитот со висока спроводливост може брзо да транспортира јони и да врши поголем капацитет на ниски температури. Колку повеќе соли на литиум во електролитот се дисоцирани, толку е поголем бројот на миграции и поголема спроводливост. Спроводливоста е висока и колку е побрза стапката на јонска спроводливост, толку е помала поларизацијата и подобри перформанси на батеријата при ниски температури. Затоа, поголемата електрична 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.

Спроводливоста на електролитот е поврзана со составот на електролитот Намалувањето на вискозноста на растворувачот е еден од начините за подобрување на спроводливоста на електролитот. Добрата флуидност на растворувачот при ниски температури обезбедува транспорт на јони, а цврстата електролитна фолија формирана од електролитот на негативната електрода при ниски температури е исто така клучот за влијанието врз спроводливоста на литиум јони, а RSEI е главната импеданса на литиум-јонските 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.

Експерт 2: Главниот фактор што ги ограничува перформансите на ниски температури на литиум-јонските батерии е наглото зголемување на отпорот на дифузија на Li+ при ниски температури, а не на SEI филмот.

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

Карактеристики на ниска температура на катодните материјали на литиум-јонски батерии

1. Карактеристики на ниска температура на слоевите позитивни електроди материјали

1. Карактеристики на ниска температура на катодните материјали со слоевити структури

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.

Слоевитата структура не само што има неспоредлива брзина на еднодимензионални дифузни канали на литиум јони, туку има и структурна стабилност на тридимензионални канали. Неговите репрезентативни супстанции вклучуваат LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 и Li(Ni,Co,Mn)O2, итн.

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

Xie Xiaohua и други користеа LiCoO2/MCMB како истражувачки објект и ги тестираа неговите карактеристики на полнење и празнење на 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 ℃).

Резултатите покажуваат дека како што температурата се намалува, нејзината платформа за празнење паѓа од 3,762 V (0℃) на 3,207 V (–30℃), исто така, нагло опаѓа од 78,98 mA·h (0℃) на 68,55 mA·h; (-30°C).

2. Карактеристики на ниска температура на спинел структурирани катодни материјали

2. Карактеристики на ниска температура на катодните материјали на структурата на спинелот

Катодниот материјал LiMn2O4 структуриран спинел ги има предностите на ниската цена и нетоксичноста поради неговото отсуство на Co елемент.

Структурата на спинел LiMn2O4 катодниот материјал не содржи Co елемент, па затоа има предности на ниска цена и нетоксичност.

Сепак, променливите валентни состојби на Mn и Џан Телеровиот ефект на Mn3+ резултираат со структурна нестабилност и слаба реверзибилност на оваа компонента.

Меѓутоа, променливата валентна состојба на Mn и Џан-Телровиот ефект на Mn3+ доведуваат до 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.

Пенг Женгшун и сор. истакнаа дека различните методи на подготовка имаат поголемо влијание врз електрохемиските перформанси на катодните материјали на LiMn2O4. со методот на сол-гел, а оваа појава се јавува кај литиумските јони. Причината главно се должи на големото влијание на различните методи на синтеза врз кристалноста и морфологијата на производот.

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

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. 

Структурата на спинел LiMn2O4 катодниот материјал не содржи Co елемент, па затоа има предности на ниска цена и нетоксичност.

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.

Поради одличната стабилност и безбедност на волуменот, LiFePO4, заедно со тројните материјали, стана главното тело на тековните катодни материјали за напојување на батериите. Лошите ниски температурни перформанси на литиум железо фосфатот се главно поради тоа што самиот материјал е изолатор, со ниска електронска спроводливост, слаба дифузност на литиум јони и слаба спроводливост при ниски температури, што го зголемува внатрешниот отпор на батеријата, во голема мера е под влијание на поларизација и го попречува полнењето и празнењето на батеријата Затоа, ниската температура не е идеална.

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 ℃.

Кога Гу Јиџи и сор напонот падна од 3,11 V на 55°C Се намалува на 2,62V на –20°C.

Ксинг и сор. го модифицираше 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.

Ксинг и сор. на 25°C, V падна на 3,09V при -25°C, намалување од само 9,12%, а неговата ефикасност на батеријата на -25°C беше 57,3%, повисока од 53,4% без нанојаглерод.

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.

Неодамна, LiMnPO4 привлече голем интерес. Истражувањата покажаа дека LiMnPO4 ги има предностите на висок потенцијал (4,1 V), нема загадување, ниска цена и голем специфичен капацитет (170 mAh/g). Сепак, поради пониската јонска спроводливост на LiMnPO4 од LiFePO4, Fe често се користи за делумно замена на Mn во пракса за да се формира LiMn0.8Fe0.2PO4 цврст раствор.

Нискотемпературни карактеристики на негативни електроди материјали за литиум-јонски батерии

Нискотемпературни својства на анодни материјали од 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:

Во споредба со катодните материјали, нискотемпературното влошување на анодните материјали на литиум-јонските батерии е посериозно.

• 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;
• При полнење и празнење на ниски температури и високи стапки, батеријата е силно поларизирана, а на површината на негативната електрода се депонира големо количество метален литиум, а производот на реакција помеѓу металниот литиум и електролитот генерално не е спроводлив;
  
• 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;
• Од термодинамичка гледна точка, електролитот содржи голем број на поларни групи како што се C-O и C-N, кои можат да реагираат со анодниот материјал, а формираниот SEI филм е поподложен на ниска температура;
  
• Тешко е да се вгради литиум во јаглеродни негативни електроди при ниски температури, што резултира со асиметрично полнење и празнење.
• Тешко е за јаглеродни негативни електроди да вметнат литиум при ниски температури, а има асиметрија во полнењето и празнењето.
  

Истражување за ниски температурни електролити

Истражување на електролит со ниска температура

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.

Електролитот игра улога во транспортот на Li+ во литиум-јонските батерии, а неговата јонска спроводливост и својствата за формирање на филм SEI имаат значително влијание врз перформансите на батеријата при ниски температури. Постојат три главни индикатори за да се процени квалитетот на електролитите со ниска температура: јонска спроводливост, електрохемиски прозорец и реактивност на електродата. Нивоата на овие три индикатори во голема мера зависат од нивните составни материјали: растворувач, електролит (литиумова сол) и адитиви. Затоа, проучувањето на својствата на ниски температури на различни делови од електролитот е од големо значење за разбирање и подобрување на перформансите на батеријата при ниски температури.

• Во споредба со синџирните карбонати, електролитите базирани на ЕС 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.
• Во споредба со синџирот карбонат, нискотемпературните карактеристики на електролитот базиран на ЕС се дека цикличниот карбонат има цврста структура, силна сила, повисока точка на топење и вискозност. Сепак, големиот поларитет што го носи структурата на прстенот често прави таа да има голема диелектрична константа. Големата диелектрична константа, високата јонска спроводливост и одличните својства на EC растворувачите ефикасно го спречуваат вметнувањето на молекулите на растворувачите, што ги прави неопходни, најчесто користените електролитни системи со ниска температура се базираат на EC, а потоа се мешаат во мали димензии молекулски растворувач 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.

• Литиумската сол е важна компонента на електролитот. Литиумската сол во електролитот не само што може да ја зголеми јонската спроводливост на растворот, туку и да го намали растојанието на дифузија на Li+ во растворот. Општо земено, колку е поголема концентрацијата на Li+ во растворот, толку е поголема неговата јонска спроводливост. Сепак, концентрацијата на литиум јони во електролитот не е линеарно поврзана со концентрацијата на литиумова сол, туку е параболична. Тоа е затоа што концентрацијата на литиумските јони во растворувачот зависи од јачината на дисоцијацијата и асоцијацијата на литиумската сол во растворувачот.

  
  

Истражување за ниски температурни електролити

Истражување на електролит со ниска температура

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

Покрај самиот состав на батеријата, процесните фактори при реалната работа исто така ќе имаат големо влијание врз перформансите на батеријата.

(1) Процес на подготовка. Јакуб и сор. го проучувал 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.

(1) Процес на подготовка. Јакуб и соработниците ги проучувале ефектите на оптоварувањето на електродата и дебелината на облогата врз перформансите на ниски температури на батериите LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Графит и откриле дека во однос на задржувањето на капацитетот, толку е помало оптоварувањето на електродата и потенкиот слој на облогата. , толку подобри 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 животниот век 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.

(2) Состојба на полнење и празнење. Петзл и сор.

(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.

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

Резиме

Резимирајте

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.

Покрај тоа, истражувањето може да заземе 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.

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

(1) Формирајте тенок и густ SEI филм;

(2) Осигурајте се дека Li+ има голем коефициент на дифузија во активниот материјал;

(3) Електролитот има висока јонска спроводливост при ниски температури.

Покрај тоа, истражувањето може да најде и друг начин да се фокусира на друг тип на литиум-јонска батерија-литиум-јонска батерија во цврста состојба. Во споредба со конвенционалните литиум-јонски батерии, се очекува литиум-јонските батерии со целосно цврста состојба, особено литиум-јонските батерии со тенок слој во цврста состојба, целосно да го решат проблемот со слабеењето на капацитетот и проблемите со безбедноста на циклусот на батериите што се користат на ниски температури.