Bahay > Balita > Balita sa Industriya

Bakit bumababa ang kapasidad ng mga baterya ng lithium sa taglamig? Sa wakas, may makapagpaliwanag!

2023-07-13

Bakit bumababa ang kapasidad ng mga baterya ng lithium sa taglamig? Sa wakas, may makapagpaliwanag!


Mula nang pumasok sa merkado, ang mga baterya ng lithium-ion ay malawakang ginagamit dahil sa kanilang mga pakinabang tulad ng mahabang buhay, malaking tiyak na kapasidad, at walang epekto sa memorya. Ang mga bateryang Lithium ion na ginagamit sa mababang temperatura ay may mga problema gaya ng mababang kapasidad, matinding attenuation, mahinang performance ng pagbibisikleta, halatang lithium evolution, at hindi balanseng pag-alis at pagpasok ng lithium. Gayunpaman, sa patuloy na pagpapalawak ng mga patlang ng aplikasyon, ang mga hadlang na dulot ng mahinang pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng lithium-ion ay lalong nagiging maliwanag.

Ayon sa mga ulat, ang kapasidad ng paglabas ng mga baterya ng lithium-ion sa -20 ℃ ay halos 31.5% lamang nito sa temperatura ng silid. Ang mga tradisyunal na baterya ng lithium-ion ay gumagana sa mga temperatura sa pagitan ng -20~+55 ℃. Gayunpaman, sa mga larangan tulad ng aerospace, militar, at mga de-koryenteng sasakyan, ang mga baterya ay kinakailangang gumana nang normal sa -40 ℃. Samakatuwid, ang pagpapabuti ng mga katangian ng mababang temperatura ng mga baterya ng lithium-ion ay may malaking kahalagahan.

Mga salik na naghihigpit sa pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng lithium-ion


  • Sa mababang temperatura na kapaligiran, ang lagkit ng electrolyte ay tumataas at kahit na bahagyang solidifies, na humahantong sa isang pagbaba sa conductivity ng lithium-ion na mga baterya.
  • Ang compatibility sa pagitan ng electrolyte, negatibong electrode, at separator ay lumalala sa mababang temperatura na kapaligiran.
  • Sa ilalim ng mababang kondisyon ng temperatura, ang negatibong electrode ng mga baterya ng lithium-ion ay nakakaranas ng matinding pag-ulan ng lithium, at ang namuong metal na lithium ay tumutugon sa electrolyte, na nagreresulta sa pag-deposito ng mga produkto na nagpapataas sa kapal ng solid-state electrolyte interface (SEI).
  • Sa mababang temperatura na kapaligiran, ang diffusion system sa loob ng aktibong materyal ng mga baterya ng lithium-ion ay bumababa, at ang charge transfer impedance (Rct) ay tumataas nang malaki.



Pagtalakay sa mga salik na nakakaapekto sa pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng lithium-ion


Expert viewpoint 1: Ang electrolyte ay may pinakamalaking epekto sa mababang temperatura na pagganap ng mga lithium-ion na baterya, at ang komposisyon at physicochemical na katangian ng electrolyte ay may malaking epekto sa mababang temperatura na pagganap ng baterya. Ang problema na kinakaharap ng pagbibisikleta ng mga baterya sa mababang temperatura ay ang lagkit ng electrolyte ay tataas, ang bilis ng pagpapadaloy ng ion ay bumagal, na nagiging sanhi ng mismatch sa bilis ng paglipat ng elektron ng panlabas na circuit, na nagreresulta sa matinding polariseysyon ng baterya at isang matalim na pagbaba sa kapasidad ng paglabas ng singil. Lalo na kapag nagcha-charge sa mababang temperatura, ang mga lithium ions ay madaling makabuo ng mga lithium dendrite sa negatibong ibabaw ng electrode, na humahantong sa pagkabigo ng baterya.

Ang pagganap ng mababang temperatura ng mga electrolyte ay malapit na nauugnay sa conductivity ng electrolyte mismo. Ang mga electrolyte na may mataas na conductivity transport ions ay mabilis at maaaring gumamit ng higit na kapasidad sa mababang temperatura. Ang mas maraming lithium salts sa electrolyte dissociate, mas marami silang lumilipat at mas mataas ang kanilang conductivity. Kung mas mataas ang conductivity at mas mabilis ang ion conduction rate, mas maliit ang polarization, at mas mahusay ang performance ng baterya sa mababang temperatura. Samakatuwid, ang mataas na kondaktibiti ay isang kinakailangang kondisyon para sa pagkamit ng mahusay na pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng lithium-ion.

Ang conductivity ng electrolyte ay nauugnay sa komposisyon nito, at ang pagbabawas ng lagkit ng solvent ay isa sa mga paraan upang mapabuti ang conductivity ng electrolyte. Ang mahusay na daloy ng mga solvent sa mababang temperatura ay isang garantiya para sa transportasyon ng ion, at ang solidong electrolyte film na nabuo ng electrolyte sa negatibong elektrod sa mababang temperatura ay isa ring pangunahing kadahilanan na nakakaapekto sa pagpapadaloy ng lithium ion, at ang RSEI ay ang pangunahing impedance ng lithium- mga baterya ng ion sa mababang temperatura na kapaligiran.

Eksperto 2: Ang pangunahing kadahilanan na naglilimita sa pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng lithium-ion ay ang mabilis na pagtaas ng Li+diffusion impedance sa mababang temperatura, sa halip na mga SEI membrane.

Mga katangian ng mababang temperatura ng mga positibong materyales sa elektrod para sa mga baterya ng lithium-ion


1. Mga katangian ng mababang temperatura ng mga layered positive electrode na materyales

Ang layered na istraktura, na may walang kapantay na pagganap ng rate kumpara sa isang-dimensional na lithium-ion diffusion channel at structural stability ng mga three-dimensional na channel, ay ang pinakamaagang komersyal na available na cathode material para sa mga lithium-ion na baterya. Kabilang sa mga kinatawan nitong sangkap ang LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2, at Li (Ni, Co, Mn) O2.
Xie Xiaohua et al. sinubukan ang mababang temperatura sa pag-charge at pagdiskarga ng mga katangian ng LiCoO2/MCMB bilang object ng pananaliksik.
Ipinapakita ng mga resulta na habang bumababa ang temperatura, bumababa ang discharge plateau mula 3.762V (0 ℃) hanggang 3.207V (-30 ℃); Ang kabuuang kapasidad ng baterya ay bumaba rin nang husto mula 78.98mA · h (0 ℃) hanggang 68.55mA · h (-30 ℃).

2. Mga katangian ng mababang temperatura ng istruktura ng spinel na positibong mga materyales sa elektrod

Ang spinel structured LiMn2O4 cathode material ay may mga bentahe ng mababang gastos at non-toxicity dahil sa kawalan nito ng Co element.
Gayunpaman, ang variable na valence state ng Mn at ang Jahn Teller na epekto ng Mn3+ ay nagreresulta sa structural instability at mahinang reversibility ng component na ito.
Peng Zhengshun et al. itinuro na ang iba't ibang paraan ng paghahanda ay may malaking epekto sa electrochemical performance ng LiMn2O4 cathode materials. Kunin ang Rct bilang isang halimbawa: ang Rct ng LiMn2O4 na na-synthesize sa pamamagitan ng high-temperature solid phase method ay mas mataas kaysa sa na-synthesize ng sol gel method, at ang phenomenon na ito ay makikita rin sa lithium ion diffusion coefficient. Ang pangunahing dahilan nito ay ang iba't ibang pamamaraan ng synthesis ay may malaking epekto sa crystallinity at morpolohiya ng mga produkto.


3. Mababang temperatura na mga katangian ng pospeyt sistema positibong elektrod materyales

Ang LiFePO4, kasama ang mga ternary na materyales, ay naging pangunahing materyal ng cathode para sa mga baterya ng kuryente dahil sa mahusay na katatagan at kaligtasan ng dami nito. Ang mahinang pagganap ng mababang temperatura ng Lithium iron phosphate ay higit sa lahat dahil ang materyal nito mismo ay isang insulator, na may mababang kondaktibiti ng elektroniko, mahinang pagsasabog ng lithium ion, at mahinang kondaktibiti sa mababang temperatura, na nagpapataas ng panloob na paglaban ng baterya, lubos na nakakaapekto sa polariseysyon, at humahadlang sa pag-charge at pagdiskarga ng baterya. Samakatuwid, ang pagganap ng mababang temperatura ay hindi perpekto.
Gu Yijie et al. natagpuan na ang Coulombic na kahusayan ng LiFePO4 ay bumaba mula 100% sa 55 ℃ hanggang 96% sa 0 ℃ at 64% sa -20 ℃, ayon sa pagkakabanggit, kapag pinag-aaralan ang pag-uugali ng paglabas ng singil nito sa mababang temperatura; Bumababa ang boltahe ng discharge mula 3.11V sa 55 ℃ hanggang 2.62V sa -20 ℃.
Xing et al. gumamit ng nano carbon upang baguhin ang LiFePO4 at nalaman na ang pagdaragdag ng mga nano carbon conductive agent ay nagpababa ng sensitivity ng electrochemical performance ng LiFePO4 sa temperatura at pinahusay ang pagganap nito sa mababang temperatura; Ang boltahe ng discharge ng binagong LiFePO4 ay bumaba mula 3.40V sa 25 ℃ hanggang 3.09V sa -25 ℃, na may pagbaba ng 9.12% lamang; At ang kahusayan ng baterya nito ay 57.3% sa -25 ℃, mas mataas sa 53.4% ​​nang walang nano carbon conductive agent.
Kamakailan, ang LiMnPO4 ay pumukaw ng matinding interes sa mga tao. Natuklasan ng pananaliksik na ang LiMnPO4 ay may mga pakinabang tulad ng mataas na potensyal (4.1V), walang polusyon, mababang presyo, at malaking tiyak na kapasidad (170mAh/g). Gayunpaman, dahil ang LiMnPO4 ay may mas mababang ionic conductivity kaysa sa LiFePO4, madalas itong ginagamit sa pagsasanay upang bahagyang palitan ang Mn ng Fe upang bumuo ng LiMn0.8Fe0.2PO4 Solid na solusyon.

Mga katangian ng mababang temperatura ng mga negatibong materyales sa elektrod para sa mga baterya ng lithium-ion


Kung ikukumpara sa mga positibong materyales sa elektrod, ang mababang temperatura ng pagkasira ng mga negatibong materyales sa elektrod sa mga baterya ng lithium-ion ay mas malala, pangunahin dahil sa sumusunod na tatlong dahilan:


  • Sa panahon ng mababang temperatura at mataas na rate ng pagsingil at pagdiskarga, ang polariseysyon ng baterya ay malubha, at ang isang malaking halaga ng mga deposito ng lithium metal sa negatibong ibabaw ng elektrod, at ang mga produkto ng reaksyon sa pagitan ng lithium metal at electrolyte sa pangkalahatan ay walang conductivity;
  • Mula sa isang thermodynamic perspective, ang electrolyte ay naglalaman ng malaking bilang ng mga polar group gaya ng C-O at C-N, na maaaring tumugon sa mga negatibong electrode na materyales, na nagreresulta sa mga SEI film na mas madaling kapitan sa mababang temperatura;
  • Mahirap i-embed ang lithium sa mga carbon negative electrodes sa mababang temperatura, na nagreresulta sa asymmetric charging at discharging.



Pananaliksik sa Mababang Temperatura Electrolytes


Ang electrolyte ay gumaganap ng isang papel sa pagpapadala ng Li+ sa mga lithium-ion na baterya, at ang ion conductivity at SEI film forming performance nito ay may malaking epekto sa mababang temperatura na pagganap ng baterya. Mayroong tatlong pangunahing tagapagpahiwatig para sa paghusga sa kalidad ng mababang temperatura na electrolyte: ion conductivity, electrochemical window, at electrode reaction activity. Ang antas ng tatlong tagapagpahiwatig na ito ay higit na nakasalalay sa kanilang mga sangkap na bumubuo: mga solvent, electrolytes (lithium salts), at mga additives. Samakatuwid, ang pag-aaral ng pagganap ng mababang temperatura ng iba't ibang bahagi ng electrolyte ay may malaking kahalagahan para sa pag-unawa at pagpapabuti ng pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya.


  • Kung ikukumpara sa mga chain carbonate, ang mga electrolyte na nakabatay sa EC ay may compact na istraktura, mataas na puwersa, at mataas na melting point at lagkit. Gayunpaman, ang malaking polarity na dala ng pabilog na istraktura ay kadalasang humahantong sa isang malaking dielectric na pare-pareho. Ang mataas na dielectric constant, mataas na ionic conductivity, at mahusay na film-forming performance ng EC solvents ay epektibong pumipigil sa co insertion ng solvent molecules, na ginagawang kailangan ang mga ito. Samakatuwid, ang pinakakaraniwang ginagamit na mga sistema ng electrolyte na may mababang temperatura ay batay sa EC at halo-halong may mababang tuldok ng pagkatunaw ng maliliit na molekula na solvents.

  • Lithium salts ay isang mahalagang bahagi ng electrolytes. Ang mga asing-gamot na lithium sa mga electrolyte ay hindi lamang maaaring mapabuti ang ionic conductivity ng solusyon, ngunit bawasan din ang diffusion distance ng Li + sa solusyon. Sa pangkalahatan, mas mataas ang konsentrasyon ng Li+sa isang solusyon, mas malaki ang ionic conductivity nito. Gayunpaman, ang konsentrasyon ng mga lithium ions sa electrolyte ay hindi linearly na nakakaugnay sa konsentrasyon ng mga lithium salts, ngunit sa halip sa isang parabolic na hugis. Ito ay dahil ang konsentrasyon ng mga lithium ions sa solvent ay nakasalalay sa lakas ng dissociation at pagkakaugnay ng mga lithium salt sa solvent.
Pananaliksik sa Mababang Temperatura Electrolytes



Bilang karagdagan sa komposisyon ng baterya mismo, ang mga salik ng proseso sa praktikal na operasyon ay maaari ding magkaroon ng malaking epekto sa pagganap ng baterya.

(1) Proseso ng paghahanda. Yaqub et al. pinag-aralan ang mga epekto ng pag-load ng electrode at kapal ng coating sa mababang temperatura ng pagganap ng LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite na mga baterya at nalaman na sa mga tuntunin ng pagpapanatili ng kapasidad, mas maliit ang electrode load, mas manipis ang layer ng coating, at mas mabuti. ang pagganap nito sa mababang temperatura.

(2) Katayuan sa pag-charge at pagdiskarga. Petzl et al. pinag-aralan ang epekto ng mababang temperatura ng pag-charge at pagdiskarga ng mga kondisyon sa cycle ng buhay ng mga baterya at nalaman na kapag ang discharge depth ay malaki, ito ay magdudulot ng malaking pagkawala ng kapasidad at bawasan ang cycle ng buhay.

(3) Iba pang mga kadahilanan. Ang surface area, pore size, electrode density, wettability sa pagitan ng electrode at electrolyte, at separator ng mga electrodes ay lahat ay nakakaapekto sa mababang temperatura ng pagganap ng mga lithium-ion na baterya. Bilang karagdagan, ang epekto ng mga depekto sa mga materyales at proseso sa mababang temperatura na pagganap ng mga baterya ay hindi maaaring balewalain.


Ibuod


Upang matiyak ang mababang-temperatura na pagganap ng mga baterya ng lithium-ion, kailangang gawin ang mga sumusunod:

(1) Pagbubuo ng manipis at siksik na SEI film;

(2) Tiyakin na ang Li+ ay may malaking diffusion coefficient sa aktibong sangkap;

(3) Ang mga electrolyte ay may mataas na ionic conductivity sa mababang temperatura.

Bilang karagdagan, maaari ding tuklasin ng pananaliksik ang mga bagong paraan at tumuon sa isa pang uri ng baterya ng lithium-ion - lahat ng solid-state na baterya ng lithium-ion. Kung ikukumpara sa mga ordinaryong lithium-ion na baterya, ang lahat ng solid-state na lithium-ion na baterya, lalo na ang lahat ng solid-state thin film lithium-ion na baterya, ay inaasahang ganap na malulutas ang pagkasira ng kapasidad at mga isyu sa kaligtasan ng pagbibisikleta ng mga baterya na ginagamit sa mababang temperatura.


X
We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies. Privacy Policy
Reject Accept