Mengapakah kapasiti bateri litium berkurangan pada musim sejuk? Akhirnya, seseorang boleh menjelaskan!

Mengapakah kapasiti bateri litium berkurangan pada musim sejuk? Akhirnya, seseorang boleh menjelaskan!

Sejak memasuki pasaran, bateri litium-ion telah digunakan secara meluas kerana kelebihannya seperti jangka hayat yang panjang, kapasiti khusus yang besar, dan tiada kesan memori. Bateri litium ion yang digunakan pada suhu rendah mempunyai masalah seperti kapasiti rendah, pengecilan teruk, prestasi berbasikal yang lemah, evolusi litium yang jelas, dan penyingkiran dan pemasukan litium yang tidak seimbang. Walau bagaimanapun, dengan pengembangan berterusan medan aplikasi, kekangan yang disebabkan oleh prestasi suhu rendah bateri litium-ion yang lemah semakin ketara.

Menurut laporan, kapasiti nyahcas bateri litium-ion pada -20 ℃ hanya kira-kira 31.5% daripada itu pada suhu bilik. Bateri litium-ion tradisional beroperasi pada suhu antara -20~+55 ℃. Walau bagaimanapun, dalam bidang seperti aeroangkasa, tentera dan kenderaan elektrik, bateri diperlukan untuk beroperasi secara normal pada -40 ℃. Oleh itu, meningkatkan sifat suhu rendah bateri litium-ion adalah sangat penting.

Faktor yang menyekat prestasi suhu rendah bateri litium-ion

• Dalam persekitaran suhu rendah, kelikatan elektrolit meningkat dan malah sebahagiannya menjadi pejal, membawa kepada penurunan kekonduksian bateri litium-ion.
• Keserasian antara elektrolit, elektrod negatif dan pemisah semakin merosot dalam persekitaran suhu rendah.
• Di bawah keadaan suhu rendah, elektrod negatif bateri litium-ion mengalami pemendakan litium yang teruk, dan litium logam termendak bertindak balas dengan elektrolit, mengakibatkan pemendapan produk yang meningkatkan ketebalan antara muka elektrolit keadaan pepejal (SEI).
• Dalam persekitaran suhu rendah, sistem resapan di dalam bahan aktif bateri lithium-ion berkurangan, dan galangan pemindahan cas (Rct) meningkat dengan ketara.

Perbincangan tentang faktor yang mempengaruhi prestasi suhu rendah bateri litium-ion

Pandangan pakar 1: Elektrolit mempunyai kesan yang paling besar pada prestasi suhu rendah bateri litium-ion, dan komposisi dan sifat fizikokimia elektrolit mempunyai kesan yang ketara ke atas prestasi suhu rendah bateri. Masalah yang dihadapi oleh kitaran bateri pada suhu rendah ialah kelikatan elektrolit akan meningkat, kelajuan pengaliran ion akan menjadi perlahan, menyebabkan ketidakpadanan dalam kelajuan pemindahan elektron litar luar, mengakibatkan polarisasi bateri yang teruk dan penurunan mendadak dalam kapasiti nyahcas cas. Terutama apabila mengecas pada suhu rendah, ion litium dengan mudah boleh membentuk dendrit litium pada permukaan elektrod negatif, yang membawa kepada kegagalan bateri.

Prestasi suhu rendah elektrolit berkait rapat dengan kekonduksian elektrolit itu sendiri. Elektrolit dengan ion pengangkutan kekonduksian tinggi dengan cepat dan boleh menggunakan lebih banyak kapasiti pada suhu rendah. Lebih banyak garam litium dalam elektrolit tercerai, lebih banyak ia berhijrah dan lebih tinggi kekonduksian mereka. Lebih tinggi kekonduksian dan lebih cepat kadar pengaliran ion, lebih kecil polarisasi, dan lebih baik prestasi bateri pada suhu rendah. Oleh itu, kekonduksian yang tinggi adalah syarat yang diperlukan untuk mencapai prestasi suhu rendah yang baik bagi bateri litium-ion.

Kekonduksian elektrolit adalah berkaitan dengan komposisinya, dan mengurangkan kelikatan pelarut adalah salah satu cara untuk meningkatkan kekonduksian elektrolit. Kebolehliran pelarut yang baik pada suhu rendah adalah jaminan untuk pengangkutan ion, dan filem elektrolit pepejal yang dibentuk oleh elektrolit pada elektrod negatif pada suhu rendah juga merupakan faktor utama yang mempengaruhi pengaliran ion litium, dan RSEI ialah impedans utama litium- bateri ion dalam persekitaran suhu rendah.

Pakar 2: Faktor utama yang mengehadkan prestasi suhu rendah bateri litium-ion ialah galangan resapan Li+ yang semakin meningkat pada suhu rendah, bukannya membran SEI.

Ciri suhu rendah bahan elektrod positif untuk bateri litium-ion

1. Ciri suhu rendah bahan elektrod positif berlapis

Struktur berlapis, dengan prestasi kadar yang tiada tandingan berbanding dengan saluran resapan litium-ion satu dimensi dan kestabilan struktur saluran tiga dimensi, adalah bahan katod terawal tersedia secara komersial untuk bateri litium-ion. Bahan perwakilannya termasuk LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2, dan Li (Ni, Co, Mn) O2.
Xie Xiaohua et al. menguji ciri pengecasan dan nyahcas suhu rendah LiCoO2/MCMB sebagai objek kajian.
Keputusan menunjukkan bahawa apabila suhu berkurangan, dataran tinggi nyahcas berkurangan daripada 3.762V (0 ℃) kepada 3.207V (-30 ℃); Jumlah kapasiti bateri juga telah menurun secara mendadak daripada 78.98mA · h (0 ℃) kepada 68.55mA · h (-30 ℃).

2. Ciri-ciri suhu rendah bahan elektrod positif struktur spinel

Bahan katod LiMn2O4 berstruktur spinel mempunyai kelebihan kos rendah dan tidak toksik kerana ketiadaan unsur Co.
Walau bagaimanapun, keadaan valens pembolehubah Mn dan kesan Jahn Teller bagi Mn3+ mengakibatkan ketidakstabilan struktur dan keterbalikan yang lemah bagi komponen ini.
Peng Zhengshun et al. menunjukkan bahawa kaedah penyediaan yang berbeza mempunyai kesan yang besar terhadap prestasi elektrokimia bahan katod LiMn2O4. Ambil Rct sebagai contoh: Rct LiMn2O4 yang disintesis dengan kaedah fasa pepejal suhu tinggi adalah jauh lebih tinggi daripada yang disintesis dengan kaedah sol gel, dan fenomena ini juga ditunjukkan dalam pekali resapan ion litium. Sebab utama untuk ini ialah kaedah sintesis yang berbeza mempunyai kesan yang ketara terhadap kehabluran dan morfologi produk.

3. Ciri-ciri suhu rendah bahan elektrod positif sistem fosfat

LiFePO4, bersama-sama dengan bahan ternary, telah menjadi bahan katod utama untuk bateri kuasa kerana kestabilan volum dan keselamatannya yang sangat baik. Prestasi suhu rendah rendah fosfat besi Litium adalah terutamanya kerana bahannya sendiri adalah penebat, dengan kekonduksian elektronik yang rendah, penyebaran ion litium yang lemah, dan kekonduksian yang lemah pada suhu rendah, yang meningkatkan rintangan dalaman bateri, sangat mempengaruhi polarisasi, dan menghalang pengecasan dan nyahcas bateri. Oleh itu, prestasi suhu rendah tidak sesuai.
Gu Yijie et al. mendapati bahawa kecekapan Coulombik LiFePO4 menurun daripada 100% pada 55 ℃ kepada 96% pada 0 ℃ dan 64% pada -20 ℃, masing-masing, apabila mengkaji kelakuan nyahcas casnya pada suhu rendah; Voltan nyahcas berkurangan daripada 3.11V pada 55 ℃ kepada 2.62V pada -20 ℃.
Xing et al. menggunakan karbon nano untuk mengubah suai LiFePO4 dan mendapati bahawa menambah agen pengalir karbon nano mengurangkan kepekaan prestasi elektrokimia LiFePO4 kepada suhu dan meningkatkan prestasi suhu rendahnya; Voltan nyahcas LiFePO4 diubah suai menurun daripada 3.40V pada 25 ℃ kepada 3.09V pada -25 ℃, dengan penurunan hanya 9.12%; Dan kecekapan baterinya ialah 57.3% pada -25 ℃, lebih tinggi daripada 53.4% ​​tanpa agen pengalir karbon nano.
Baru-baru ini, LiMnPO4 telah menimbulkan minat yang kuat di kalangan orang ramai. Penyelidikan mendapati LiMnPO4 mempunyai kelebihan seperti potensi tinggi (4.1V), tiada pencemaran, harga rendah, dan kapasiti spesifik yang besar (170mAh/g). Walau bagaimanapun, kerana LiMnPO4 mempunyai kekonduksian ionik yang lebih rendah daripada LiFePO4, ia sering digunakan dalam amalan untuk menggantikan sebahagian Mn dengan Fe untuk membentuk larutan Pepejal LiMn0.8Fe0.2PO4.

Ciri suhu rendah bahan elektrod negatif untuk bateri litium-ion

Berbanding dengan bahan elektrod positif, kemerosotan suhu rendah bahan elektrod negatif dalam bateri litium-ion adalah lebih teruk, terutamanya disebabkan oleh tiga sebab berikut:

• Semasa suhu rendah dan kadar tinggi mengecas dan menyahcas, polarisasi bateri adalah teruk, dan sejumlah besar deposit logam litium pada permukaan elektrod negatif, dan produk tindak balas antara logam litium dan elektrolit umumnya tidak mempunyai kekonduksian;
• Dari perspektif termodinamik, elektrolit mengandungi sejumlah besar kumpulan kutub seperti C-O dan C-N, yang boleh bertindak balas dengan bahan elektrod negatif, menghasilkan filem SEI yang lebih mudah terdedah kepada suhu rendah;
• Sukar untuk membenamkan litium dalam elektrod negatif karbon pada suhu rendah, mengakibatkan pengecasan dan nyahcas tidak simetri.

Penyelidikan tentang Elektrolit Suhu Rendah

Elektrolit memainkan peranan dalam menghantar Li+ dalam bateri litium-ion, dan kekonduksian ion dan prestasi pembentukan filem SEI mempunyai kesan yang ketara ke atas prestasi suhu rendah bateri. Terdapat tiga petunjuk utama untuk menilai kualiti elektrolit suhu rendah: kekonduksian ion, tingkap elektrokimia, dan aktiviti tindak balas elektrod. Tahap ketiga-tiga penunjuk ini sebahagian besarnya bergantung kepada bahan konstituennya: pelarut, elektrolit (garam litium), dan bahan tambahan. Oleh itu, kajian prestasi suhu rendah pelbagai bahagian elektrolit adalah sangat penting untuk memahami dan meningkatkan prestasi suhu rendah bateri.

• Berbanding dengan rantai karbonat, elektrolit berasaskan EC mempunyai struktur padat, daya tinggi, dan takat lebur dan kelikatan yang tinggi. Walau bagaimanapun, kekutuban besar yang dibawa oleh struktur bulat selalunya membawa kepada pemalar dielektrik yang besar. Pemalar dielektrik yang tinggi, kekonduksian ionik yang tinggi, dan prestasi pembentukan filem yang sangat baik bagi pelarut EC berkesan menghalang kemasukan bersama molekul pelarut, menjadikannya sangat diperlukan. Oleh itu, sistem elektrolit suhu rendah yang paling biasa digunakan adalah berdasarkan EC dan dicampur dengan takat lebur rendah pelarut molekul kecil.
• 
  
• Garam litium adalah komponen penting dalam elektrolit. Garam litium dalam elektrolit bukan sahaja dapat meningkatkan kekonduksian ionik larutan, tetapi juga mengurangkan jarak resapan Li+ dalam larutan. Secara umumnya, semakin tinggi kepekatan Li+ dalam larutan, semakin besar kekonduksian ioniknya. Walau bagaimanapun, kepekatan ion litium dalam elektrolit tidak berkorelasi secara linear dengan kepekatan garam litium, sebaliknya dalam bentuk parabola. Ini kerana kepekatan ion litium dalam pelarut bergantung kepada kekuatan penceraian dan perkaitan garam litium dalam pelarut.

Sebagai tambahan kepada komposisi bateri itu sendiri, faktor proses dalam operasi praktikal juga boleh memberi kesan yang ketara terhadap prestasi bateri.

(1) Proses penyediaan. Yaqub et al. mengkaji kesan beban elektrod dan ketebalan salutan pada prestasi suhu rendah bateri LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite dan mendapati bahawa dari segi pengekalan kapasiti, semakin kecil beban elektrod, semakin nipis lapisan salutan, dan semakin baik. prestasi suhu rendahnya.

(2) Status pengecasan dan pelepasan. Petzl et al. mengkaji kesan keadaan pengecasan dan nyahcas suhu rendah ke atas hayat kitaran bateri dan mendapati bahawa apabila kedalaman nyahcas besar, ia akan menyebabkan kehilangan kapasiti yang ketara dan mengurangkan hayat kitaran.

(3) Faktor lain. Luas permukaan, saiz liang, ketumpatan elektrod, kebolehbasahan antara elektrod dan elektrolit, dan pemisah elektrod semuanya mempengaruhi prestasi suhu rendah bateri litium-ion. Di samping itu, kesan kecacatan dalam bahan dan proses pada prestasi suhu rendah bateri tidak boleh diabaikan.

ringkaskan

Untuk memastikan prestasi suhu rendah bateri litium-ion, adalah perlu untuk melakukan perkara berikut:

(1) Membentuk filem SEI yang nipis dan padat;

(2) Pastikan Li+mempunyai pekali resapan yang besar dalam bahan aktif;

(3) Elektrolit mempunyai kekonduksian ionik yang tinggi pada suhu rendah.

Selain itu, penyelidikan juga boleh meneroka jalan baharu dan menumpukan pada jenis bateri litium-ion yang lain - semua bateri litium-ion keadaan pepejal. Berbanding dengan bateri litium-ion konvensional, semua bateri litium-ion keadaan pepejal, terutamanya semua bateri litium-ion filem nipis keadaan pepejal, dijangka menyelesaikan sepenuhnya kemerosotan kapasiti dan isu keselamatan berbasikal bagi bateri yang digunakan pada suhu rendah.