De ce capacitatea bateriei cu litiu scade iarna, în sfârșit cineva poate explica asta!
De când bateriile cu litiu-ion au intrat pe piață, acestea au fost utilizate pe scară largă datorită avantajelor lor de viață lungă, capacitate specifică mare și fără efect de memorie. Utilizarea la temperatură scăzută a bateriilor cu litiu-ion are probleme precum capacitate scăzută, atenuare gravă, performanță slabă a ratei de ciclu, depunere evidentă de litiu și extracție dezechilibrată a litiului. Cu toate acestea, odată cu extinderea continuă a domeniilor de aplicație, constrângerile cauzate de performanța slabă la temperatură joasă-a bateriilor cu litiu-ion devin din ce în ce mai evidente.
Potrivit rapoartelor, capacitatea de descărcare a bateriilor cu litiu-ion la -20 de grade este de numai aproximativ 31,5% din cea la temperatura camerei. Temperatura de funcționare a bateriilor tradiționale cu litiu-ion este între -20 și plus 55 de grade . Cu toate acestea, în domeniul aerospațial, al industriei militare, al vehiculelor electrice etc., bateria trebuie să funcționeze normal la -40 de grade. Prin urmare, este de mare importanță îmbunătățirea proprietăților la temperatură scăzută ale bateriilor Li-ion.
Factori care limitează performanța la temperatură scăzută a bateriilor Li-ion
Într-un mediu cu temperatură scăzută, vâscozitatea electrolitului crește și chiar se solidifică parțial, rezultând o scădere a conductibilității bateriilor cu litiu-ion. Compatibilitatea dintre electrolit și electrodul negativ și separator devine slabă într-un mediu cu temperatură scăzută. Electrodul negativ al bateriei cu litiu-ion are o precipitare gravă de litiu în mediu de temperatură scăzută, iar metalul precipitat litiu reacționează cu electrolitul, iar depunerea sa de produs duce la o creștere a grosimii solidului- interfață electrolit (SEI). În mediul cu temperatură scăzută, sistemul de difuzie al bateriilor Li-ion în materialul activ scade, iar rezistența la transferul de încărcare (Rct) crește semnificativ.
Discuție despre factorii care afectează performanța la temperatură scăzută a bateriilor Li-ion
Opinia expertului 1: electrolitul are cel mai mare impact asupra performanței la temperatură joasă-a bateriilor cu litiu-ion, iar compoziția și proprietățile fizico-chimice ale electrolitului au un impact important asupra{{3} }performanța la temperatură a bateriei. Problemele cu care se confruntă bateria la temperatură scăzută sunt: vâscozitatea electrolitului va crește, viteza conducției ionilor va deveni mai lentă, rezultând nepotrivirea vitezei de migrare a electronilor a circuitului extern, astfel încât bateria va fi puternic polarizată și capacitatea de încărcare și descărcare va scădea brusc. Mai ales atunci când se încarcă la temperatură scăzută, ionii de litiu formează cu ușurință dendrite de litiu pe suprafața electrodului negativ, ducând la defectarea bateriei.
Performanța la temperatură scăzută a electrolitului este strâns legată de dimensiunea conductibilității electrolitului însuși. Electrolitul cu conductivitate ridicată transmite ioni rapid și poate exercita mai multă capacitate la temperatură scăzută. Cu cât sarea de litiu din electrolit este mai disociată, cu atât este mai mare numărul de migrații și conductivitatea este mai mare. Cu cât conductivitatea electrică este mai mare, cu atât viteza de conducție ionică este mai rapidă, cu atât polarizarea este mai mică și performanța bateriei la temperatură scăzută este mai bună. Prin urmare, o conductivitate electrică mai mare este o condiție necesară pentru a obține performanțe bune la temperatură joasă-a bateriilor cu litiu-ion.
Conductivitatea electrolitului este legată de compoziția electrolitului, iar reducerea vâscozității solventului este una dintre modalitățile de îmbunătățire a conductivității electrolitului. Fluiditatea bună a solventului la temperatură scăzută este garanția transportului ionilor, iar filmul de electrolit solid format de electrolit la electrodul negativ la temperatură scăzută este, de asemenea, cheia pentru a afecta conducerea ionilor de litiu, iar RSEI este impedanța principală. a bateriilor litiu-ion în medii cu temperaturi scăzute.
Expert 2: Principalul factor care limitează performanța la temperatură scăzută a bateriilor cu litiu-ion este rezistența la difuzie Li plus crescută la temperaturi scăzute, nu filmul SEI.
Proprietăți la temperatură scăzută ale materialelor catodice pentru bateriile cu ioni de litiu
1. Proprietăți de temperatură scăzută ale materialelor catodice stratificate
Structura stratificată nu numai că are performanța de viteză incomparabilă a canalelor de difuzie cu ioni de litiu un{-dimensionale, dar are și stabilitatea structurală a canalelor tri-dimensionale. Este cel mai vechi material catodic comercial pentru bateriile cu ioni de litiu. Substanțele sale reprezentative sunt LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 și Li(Ni, Co, Mn)O2 și așa mai departe.
Xie Xiaohua și colab. a luat LiCoO2/MCMB drept obiect de cercetare și i-a testat caracteristicile de descărcare la -încărcare la temperatură scăzută-.
The results show that with the decrease of temperature, the discharge platform drops from 3.762V (0 degree ) to 3.207V (–30 degree ); the total battery capacity also decreases sharply from 78.98mA·h (0 degree ) to 68.55mA·h (–30 degree ).
2. Caracteristicile-de temperatură scăzută ale materialelor catodice structurate cu spinel-
Materialul catodic LiMn2O4 cu structură spinelului are avantajele costului scăzut și ne-toxicității deoarece nu conține element Co.
Cu toate acestea, variabilitatea valenței lui Mn și efectul Jahn-Teller al Mn3 plus duc la instabilitatea structurală și reversibilitatea slabă a acestei componente.
Peng Zhengshun și colab. a subliniat că diferite metode de preparare au o mare influență asupra performanței electrochimice a materialelor catodice LiMn2O4. Luând Rct ca exemplu: Rct al LiMn2O4 sintetizat prin metoda fazei solide la temperatură înaltă este semnificativ mai mare decât a metodei sol-gel, iar acest fenomen este în metoda ionilor de litiu. Se reflectă și coeficientul de difuzie. Motivul este că diferitele metode de sinteză au o mare influență asupra cristalinității și morfologiei produselor.
3. Caracteristicile de temperatură scăzută ale materialelor catodice ale sistemului fosfat
Datorită stabilității și siguranței sale excelente de volum, LiFePO4, împreună cu materialele ternare, a devenit corpul principal al materialelor catodice a bateriei de putere curentă. Performanța slabă la temperatură scăzută a fosfatului de litiu fier se datorează în principal faptului că materialul în sine este un izolator, cu conductivitate electronică scăzută, difuzivitate slabă a ionilor de litiu și conductivitate slabă la temperatură scăzută, ceea ce crește rezistența internă a bateriei, ceea ce este foarte afectat de polarizare și împiedică încărcarea și descărcarea bateriei. Prin urmare, performanța la temperatură scăzută nu este ideală.
When studying the charge{{0}}discharge behavior of LiFePO4 at low temperature, Gu Yijie et al. found that its coulombic efficiency dropped from 100 percent at 55 degree to 96 percent at 0 degree and 64 percent at -20 degree , respectively; the discharge voltage decreased from 3.11V at 55 degree . Decrease to 2.62V at –20 degree .
Xing et al. modified LiFePO4 with nano-carbon and found that after adding nano-carbon conductive agent, the electrochemical performance of LiFePO4 was less sensitive to temperature, and the low-temperature performance was improved; the discharge voltage of modified LiFePO4 increased from 3.40 at 25 degree V drops to 3.09V at –25 degree , a decrease of only 9.12 percent ; and its cell efficiency at –25 degree is 57.3 percent , which is higher than 53.4 percent without nano-carbon conductive agent.
Recent, LiMnPO4 a atras mult interes. Studiul a constatat că LiMnPO4 are avantajele unui potențial ridicat (4,1 V), fără poluare, preț scăzut și capacitate specifică mare (170mAh/g). Cu toate acestea, datorită conductivității ionice mai scăzute a LiMnPO4 decât LiFePO4, Fe este adesea folosit pentru a înlocui parțial Mn pentru a forma LiMn0.8Fe0.2PO4 în practică.
Proprietăți la temperatură scăzută ale materialelor anodice pentru bateriile cu ioni de litiu
În comparație cu materialul electrodului pozitiv, deteriorarea la temperatură scăzută a materialului electrodului negativ al bateriei cu ioni de litiu este mai gravă, în principal din următoarele trei motive:
When the battery is charged and discharged at a high rate at low temperature, the polarization of the battery is serious, and a large amount of metal lithium is deposited on the surface of the negative electrode, and the reaction product of metal lithium and the electrolyte generally does not have conductivity; From the perspective of thermodynamics, the electrolyte contains a large amount of C–O, C– N etc.
The polar group can react with the negative electrode material, and the formed SEI film is more susceptible to low temperature; · The carbon negative electrode is difficult to intercalate lithium at low temperature, and there is asymmetric charge and discharge.
a98c6b55abdcd5adc3579beecae2cbd9.png
Cercetări privind electrolitul la temperatură joasă
Electrolitul joacă rolul de a transporta Li plus în bateriile cu litiu-ion, iar conductivitatea ionică și proprietățile de formare a peliculei-SEI au un impact semnificativ asupra performanței la temperaturi scăzute-a bateriei. . Există trei indicatori principali pentru a judeca avantajele și dezavantajele electroliților la temperatură joasă-: conductivitatea ionică, fereastra electrochimică și reactivitatea electrodului. Nivelul acestor trei indicatori depinde în mare măsură de materialele sale constitutive: solvent, electrolit (sare de litiu) și aditivi. Prin urmare, cercetarea performanței la temperaturi scăzute a fiecărei părți a electrolitului este de mare importanță pentru înțelegerea și îmbunătățirea performanței la temperaturi scăzute a bateriei.
·Low-temperature characteristics of EC-based electrolytes Compared with chain carbonates, cyclic carbonates have a tighter structure, larger acting force, and higher melting point and viscosity. However, the large polarity brought by the ring structure makes it often have a large dielectric constant. The large dielectric constant, high ionic conductivity, and excellent film-forming properties of EC solvent effectively prevent the co-insertion of solvent molecules, making it indispensable. Therefore, most of the commonly used low-temperature electrolyte systems are based on EC, and then mixed Small molecule solvent with low melting point. ·Lithium salt is an important component of electrolyte. Lithium salt in the electrolyte can not only improve the ionic conductivity of the solution, but also reduce the diffusion distance of Li plus in the solution. In general, the greater the concentration of Li plus in the solution, the greater the ionic conductivity. However, the concentration of lithium ions in the electrolyte is not linearly related to the concentration of lithium salts, but is parabolic. This is because the concentration of lithium ions in the solvent depends on the strength of the dissociation and association of lithium salts in the solvent.
Cercetări privind electrolitul la temperatură joasă
Pe lângă compoziția bateriei în sine, factorii de proces în funcționarea efectivă vor avea, de asemenea, un impact mare asupra performanței bateriei.
(1) Procesul de pregătire. Yaqub și colab. a studiat efectul sarcinii electrodului și al grosimii stratului de acoperire asupra performanței la temperaturi scăzute a bateriilor LiNi0.6Co0.2Mn{{0.2O2/Graphit și a constatat că, în ceea ce privește retenția capacității, mai mică sarcina electrodului și cu cât stratul de acoperire este mai subțire, cu atât performanța la temperaturi scăzute este mai bună. .
(2) Starea de încărcare și descărcare. Petzl şi colab. a studiat efectul stării de descărcare-la temperatură scăzută-de descărcare asupra duratei de viață a ciclului bateriei și a constatat că atunci când adâncimea de descărcare este mare, aceasta va provoca o pierdere mai mare a capacității și va reduce durata de viață.
(3) Alți factori. Suprafața, dimensiunea porilor, densitatea electrodului, umecbilitatea electrodului și a electrolitului și separatorul etc. afectează toate performanța la temperatură scăzută a bateriilor cu litiu-ion. În plus, influența defectelor de material și de proces asupra performanței la temperaturi scăzute a bateriei nu poate fi ignorată.
Rezuma
Pentru a asigura performanța la temperatură scăzută a bateriilor litiu-ion, trebuie făcute următoarele puncte:
(1) Formați o peliculă SEI subțire și densă;
(2) Asigurați-vă că Li plus are un coeficient de difuzie mare în materialul activ;
(3) Electrolitul are o conductivitate ionică ridicată la temperatură scăzută.
În plus, cercetarea poate găsi, de asemenea, o altă modalitate de a analiza un alt tip de baterie litiu-ion-toate-baterie solid-litiu-ion . În comparație cu bateriile convenționale cu litiu-ion, toate bateriile-solid-litiu-ion, în special toate-solide-subțiri{{10} Se așteaptă ca bateriile cu {11}}film litiu-ion să rezolve complet problema scăderii capacității și siguranța ciclului atunci când bateriile sunt folosite la temperaturi scăzute.
