Bakit bumababa ang kapasidad ng baterya ng lithium sa taglamig?

Bakit bumababa ang kapasidad ng baterya ng lithium sa taglamig

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-kuryenteng sasakyan, kinakailangan na ang baterya ay maaaring 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 mga kapaligiran, ang lagkit ng electrolyte ay tumataas at kahit na bahagyang nagpapatigas, na humahantong sa pagbaba sa conductivity ng mga baterya ng lithium-ion.
• Ang compatibility sa pagitan ng electrolyte, negatibong electrode, at separator ay lumalala sa mababang temperatura na kapaligiran.
• Ang negatibong electrode ng mga baterya ng lithium-ion sa mababang temperatura na kapaligiran ay nakakaranas ng matinding pag-ulan ng lithium, at ang namuo na metal na lithium ay tumutugon sa electrolyte, na nagreresulta sa pag-deposition ng mga produkto nito at pagtaas ng kapal ng solid electrolyte interface (SEI).
• Sa mababang temperatura na kapaligiran, ang diffusion system ng mga baterya ng lithium-ion sa loob ng aktibong materyal ay bumababa, at ang charge transfer impedance (Rct) ay tumataas nang malaki.

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

Opinyon ng Eksperto 1: Ang electrolyte ay may pinakamalaking epekto sa mababang temperatura ng pagganap ng mga baterya ng lithium-ion, at ang komposisyon at physicochemical na katangian ng electrolyte ay may mahalagang epekto sa mababang temperatura na pagganap ng mga baterya. Ang problema na kinakaharap ng mababang temperatura na pagbibisikleta ng mga baterya ay ang pagtaas ng lagkit ng electrolyte, ang bilis ng pagpapadaloy ng ion ay bumabagal, at ang bilis ng paglipat ng mga electron sa panlabas na circuit ay hindi tumutugma, na nagreresulta sa matinding polariseysyon ng baterya at isang matalim. pagbaba sa kapasidad ng pag-charge at pagdiskarga. 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 isang electrolyte ay malapit na nauugnay sa sarili nitong conductivity. 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 ay naghihiwalay sa electrolyte, mas maraming migration ang nangyayari, at mas mataas ang conductivity. Kung mas mataas ang conductivity at mas mabilis ang ion conduction rate, mas maliit ang polarization na natanggap, at mas mahusay ang pagganap ng baterya sa mababang temperatura. Samakatuwid, ang isang mas 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 isang 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 pagkalikido 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 ang 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 pinakaunang available na komersyal na positibong electrode na materyal para sa mga baterya ng lithium-ion. Kabilang sa mga kinatawan nitong sangkap ang LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2, at Li (Ni, Co, Mn) O2.

Xie Xiaohua et al. pinag-aralan ang LiCoO2/MCMB at sinubukan ang mga katangian ng mababang temperatura sa pag-charge at pagdiskarga nito.

Ipinakita ng mga resulta na habang bumababa ang temperatura, bumaba 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. Mababang temperatura na mga katangian ng spinel structured cathode materials

Ang spinel structured LiMn2O4 cathode material ay may mga pakinabang ng mababang gastos at hindi 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 phosphate system cathode materials

Ang LiFePO4, kasama ang mga ternary na materyales, ay naging pangunahing positibong materyal ng elektrod para sa mga baterya ng kuryente dahil sa mahusay na katatagan at kaligtasan ng dami nito. Ang mahinang pagganap sa mababang temperatura ng lithium iron phosphate ay higit sa lahat dahil sa pagiging insulator ng materyal nito, mababang kondaktibiti ng elektroniko, mahinang pagsasabog ng lithium ion, at mahinang kondaktibiti sa mababang temperatura, na nagpapataas ng panloob na resistensya ng baterya at lubhang naapektuhan ng polariseysyon. , humahadlang sa pag-charge at pagdiskarga ng baterya, na nagreresulta sa hindi kasiya-siyang pagganap sa mababang temperatura.

Kapag pinag-aaralan ang pag-uugali ng pagsingil at paglabas ng LiFePO4 sa mababang temperatura, si Gu Yijie et al. natagpuan na ang kahusayan ng Coulombic nito ay bumaba mula 100% sa 55 ℃ hanggang 96% sa 0 ℃ at 64% sa -20 ℃, ayon sa pagkakabanggit; Bumababa ang boltahe ng discharge mula 3.11V sa 55 ℃ hanggang 2.62V sa -20 ℃.

Xing et al. binago ang LiFePO4 gamit ang nanocarbon at nalaman na ang pagdaragdag ng mga nanocarbon conductive agent ay nagbawas ng sensitivity ng electrochemical performance ng LiFePO4 sa temperatura at napabuti 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 nanocarbon 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 sa mas mababang ionic conductivity ng LiMnPO4 kumpara sa LiFePO4, ang Fe ay kadalasang ginagamit upang bahagyang palitan ang Mn upang bumuo ng LiMn0.8Fe0.2PO4 na solidong solusyon sa pagsasanay.

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

Kung ikukumpara sa mga positibong materyales ng elektrod, ang hindi pangkaraniwang bagay ng pagkasira ng mababang temperatura 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 ng mataas na rate ng pagsingil at pagdiskarga, ang polarisasyon ng baterya ay malubha, at 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 na epekto;
• 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 nito at ang SEI film formation ay may malaking epekto sa mababang temperatura na pagganap ng baterya. Mayroong tatlong pangunahing tagapagpahiwatig para sa paghusga sa kalidad ng mababang temperatura na mga 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 ng pakikipag-ugnayan, at mas mataas na punto ng pagkatunaw at lagkit. Gayunpaman, ang malaking polarity na dala ng pabilog na istraktura ay kadalasang nagreresulta sa isang mataas na 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 mataas ang conductivity ng ion nito. Gayunpaman, ang konsentrasyon ng mga lithium ions sa electrolyte ay hindi linearly na nakakaugnay sa konsentrasyon ng mga lithium salts, ngunit sa halip ay nagpapakita ng 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.

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 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 at mas manipis ang coating layer, mas mabuti ang pagganap 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 ay lahat ay nakakaapekto sa mababang temperatura na pagganap ng mga baterya ng lithium-ion. Bilang karagdagan, ang epekto ng mga depekto sa materyal at proseso sa pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ay hindi maaaring balewalain.

Stapusin

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

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

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

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

Bilang karagdagan, ang pananaliksik ay maaaring kumuha ng ibang diskarte at tumuon sa isa pang uri ng lithium-ion na baterya - lahat ng solid state na lithium-ion na baterya. Kung ikukumpara sa mga ordinaryong lithium-ion na baterya, 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.