Mengapa kapasiti bateri litium berkurangan pada musim sejuk？

Mengapa kapasiti bateri litium berkurangan pada musim sejuk

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 perlu 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.
• Elektrod negatif bateri litium-ion dalam persekitaran suhu rendah mengalami pemendakan litium yang teruk, dan litium logam termendak bertindak balas dengan elektrolit, mengakibatkan pemendapan produknya dan peningkatan dalam ketebalan antara muka elektrolit pepejal (SEI).
• Dalam persekitaran suhu rendah, sistem resapan bateri litium-ion dalam bahan aktif berkurangan, dan galangan pemindahan cas (Rct) meningkat dengan ketara.

Penerokaan faktor yang mempengaruhi prestasi suhu rendah bateri litium-ion

Pendapat Pakar 1: Elektrolit mempunyai kesan yang paling besar terhadap prestasi suhu rendah bateri litium-ion, dan komposisi dan sifat fizikokimia elektrolit mempunyai kesan penting ke atas prestasi suhu rendah bateri. Masalah yang dihadapi oleh kitaran bateri suhu rendah ialah kelikatan elektrolit meningkat, kelajuan pengaliran ion menjadi perlahan, dan kelajuan penghijrahan elektron dalam litar luaran tidak sepadan, mengakibatkan polarisasi bateri yang teruk dan tajam. pengurangan dalam kapasiti pengecasan dan nyahcas. 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 kekonduksiannya sendiri. Elektrolit dengan ion pengangkutan kekonduksian tinggi dengan cepat dan boleh menggunakan lebih banyak kapasiti pada suhu rendah. Lebih banyak garam litium terurai dalam elektrolit, lebih banyak migrasi berlaku, dan lebih tinggi kekonduksian. Lebih tinggi kekonduksian dan lebih cepat kadar pengaliran ion, lebih kecil polarisasi yang diterima, dan lebih baik prestasi bateri pada suhu rendah. Oleh itu, kekonduksian yang lebih 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. Kecairan 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 penyebaran ion litium satu dimensi dan kestabilan struktur saluran tiga dimensi, adalah bahan elektrod positif yang paling awal 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. mengkaji LiCoO2/MCMB dan menguji ciri pengecasan dan nyahcas suhu rendahnya.

Keputusan menunjukkan bahawa apabila suhu menurun, dataran tinggi nyahcas menurun 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 suhu rendah bahan katod berstruktur spinel

Bahan katod LiMn2O4 berstruktur spinel mempunyai kelebihan kos rendah dan tidak ketoksikan 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 ke atas kehabluran dan morfologi produk.

3. Ciri-ciri suhu rendah bahan katod sistem fosfat

LiFePO4, bersama-sama dengan bahan ternary, telah menjadi bahan elektrod positif utama untuk bateri kuasa kerana kestabilan volum dan keselamatannya yang sangat baik. Prestasi suhu rendah litium besi fosfat yang lemah adalah disebabkan terutamanya oleh bahannya sebagai penebat, kekonduksian elektronik yang rendah, penyebaran ion litium yang lemah, dan kekonduksian yang lemah pada suhu rendah, yang meningkatkan rintangan dalaman bateri dan sangat dipengaruhi oleh polarisasi. , menghalang pengecasan dan nyahcas bateri, mengakibatkan prestasi suhu rendah yang tidak memuaskan.

Apabila mengkaji kelakuan cas dan nyahcas LiFePO4 pada suhu rendah, Gu Yijie et al. mendapati bahawa kecekapan Coulombiknya menurun daripada 100% pada 55 ℃ kepada 96% pada 0 ℃ dan 64% pada -20 ℃, masing-masing; Voltan nyahcas berkurangan daripada 3.11V pada 55 ℃ kepada 2.62V pada -20 ℃.

Xing et al. mengubah suai LiFePO4 menggunakan nanokarbon dan mendapati bahawa penambahan agen pengalir nanokarbon mengurangkan sensitiviti 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 nanokarbon.

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, disebabkan kekonduksian ionik LiMnPO4 yang lebih rendah berbanding dengan LiFePO4, Fe sering digunakan untuk menggantikan sebahagian Mn untuk membentuk larutan pepejal LiMn0.8Fe0.2PO4 dalam amalan.

Ciri suhu rendah bahan elektrod negatif untuk bateri litium-ion

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

• Semasa pengecasan dan pelepasan kadar tinggi suhu rendah, 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, mengakibatkan filem SEI yang lebih terdedah kepada kesan 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 interaksi yang tinggi, dan takat lebur dan kelikatan yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, kekutuban besar yang dibawa oleh struktur bulat selalunya menghasilkan pemalar dielektrik yang tinggi. 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 tinggi kekonduksian ionnya. Walau bagaimanapun, kepekatan ion litium dalam elektrolit tidak berkorelasi secara linear dengan kepekatan garam litium, sebaliknya mempamerkan 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 dan semakin nipis lapisan salutan, semakin baik ia prestasi suhu rendah.

(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 semuanya mempengaruhi prestasi suhu rendah bateri litium-ion. Di samping itu, kesan kecacatan bahan dan proses pada prestasi suhu rendah bateri tidak boleh diabaikan.

Sselesai

Untuk memastikan prestasi suhu rendah bateri litium-ion, perkara berikut perlu dilakukan dengan baik:

(1) Membentuk filem SEI yang nipis dan padat;

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

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

Di samping itu, penyelidikan boleh mengambil pendekatan yang berbeza 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 dapat menyelesaikan sepenuhnya kemerosotan kapasiti dan isu keselamatan berbasikal bagi bateri yang digunakan pada suhu rendah.