Hvorfor reduseres kapasiteten til litiumbatterier om vinteren? Endelig kan noen forklare!

Hvorfor reduseres kapasiteten til litiumbatterier om vinteren? Endelig kan noen forklare!

Siden de kom på markedet, har litium-ion-batterier blitt mye brukt på grunn av deres fordeler som lang levetid, stor spesifikk kapasitet og ingen minneeffekt. Litiumion-batterier som brukes ved lave temperaturer har problemer som lav kapasitet, sterk demping, dårlig sykling, åpenbar litiumutvikling og ubalansert fjerning og innsetting av litium. Med den kontinuerlige utvidelsen av bruksområder blir imidlertid begrensningene forårsaket av dårlig lavtemperaturytelse til litiumionbatterier stadig tydeligere.

Ifølge rapporter er utladingskapasiteten til litiumion-batterier ved -20 ℃ bare omtrent 31,5 % av den ved romtemperatur. Tradisjonelle litium-ion-batterier fungerer ved temperaturer mellom -20~+55 ℃. Men i felt som romfart, militære og elektriske kjøretøy, er batterier påkrevd for å fungere normalt ved -40 ℃. Derfor er det av stor betydning å forbedre lavtemperaturegenskapene til litium-ion-batterier.

Faktorer som begrenser lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier

• I miljøer med lav temperatur øker viskositeten til elektrolytten og til og med delvis størkner, noe som fører til en reduksjon i ledningsevnen til litium-ion-batterier.
• Kompatibiliteten mellom elektrolytt, negativ elektrode og separator blir dårligere i miljøer med lav temperatur.
• Under lave temperaturforhold opplever den negative elektroden til litiumionbatterier alvorlig litiumutfelling, og det utfelte metalllitiumet reagerer med elektrolytten, noe som resulterer i avsetning av produkter som øker tykkelsen på faststoffelektrolyttgrensesnittet (SEI).
• I miljøer med lav temperatur reduseres diffusjonssystemet inne i det aktive materialet til litium-ion-batterier, og ladeoverføringsimpedansen (Rct) øker betydelig.

Diskusjon om faktorer som påvirker lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier

Ekspertsynspunkt 1: Elektrolytt har størst innvirkning på lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier, og sammensetningen og de fysisk-kjemiske egenskapene til elektrolytten har en betydelig innvirkning på lavtemperaturytelsen til batteriet. Problemet med å sykle batterier ved lave temperaturer er at viskositeten til elektrolytten vil øke, ioneledningshastigheten vil reduseres, noe som forårsaker et misforhold i elektronmigrasjonshastigheten til den eksterne kretsen, noe som resulterer i alvorlig polarisering av batteriet og en kraftig reduksjon i ladeutladningskapasitet. Spesielt ved lading ved lave temperaturer kan litiumioner lett danne litiumdendritter på den negative elektrodeoverflaten, noe som fører til batterisvikt.

Lavtemperaturytelsen til elektrolytter er nært knyttet til ledningsevnen til selve elektrolytten. Elektrolytter med høy ledningsevne transporterer ioner raskt og kan utøve mer kapasitet ved lave temperaturer. Jo flere litiumsalter i elektrolytten dissosierer, jo mer migrerer de og jo høyere ledningsevne. Jo høyere ledningsevne og jo raskere ioneledningshastighet, jo mindre polarisering, og jo bedre ytelse har batteriet ved lave temperaturer. Derfor er høy ledningsevne en nødvendig betingelse for å oppnå god lavtemperaturytelse til litiumionbatterier.

Elektrolyttens ledningsevne er relatert til sammensetningen, og å redusere viskositeten til løsningsmidlet er en av måtene å forbedre ledningsevnen til elektrolytten på. Den gode flytbarheten til løsemidler ved lave temperaturer er en garanti for ionetransport, og den faste elektrolyttfilmen som dannes av elektrolytten på den negative elektroden ved lave temperaturer er også en nøkkelfaktor som påvirker litiumioneledning, og RSEI er hovedimpedansen til litium- ion-batterier i miljøer med lav temperatur.

Ekspert 2: Hovedfaktoren som begrenser lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier er den raskt økende Li+diffusjonsimpedansen ved lave temperaturer, snarere enn SEI-membraner.

Lavtemperaturegenskaper for positive elektrodematerialer for litiumionbatterier

1. Lavtemperaturegenskaper for lagdelte positive elektrodematerialer

Lagdelt struktur, med uovertruffen hastighetsytelse sammenlignet med endimensjonale litium-ion-diffusjonskanaler og strukturell stabilitet av tredimensjonale kanaler, er det tidligste kommersielt tilgjengelige katodematerialet for litium-ion-batterier. Dens representative stoffer inkluderer LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2 og Li (Ni, Co, Mn) O2.
Xie Xiaohua et al. testet lavtemperatur lade- og utladningsegenskapene til LiCoO2/MCMB som forskningsobjekt.
Resultatene viser at når temperaturen synker, synker utslippsplatået fra 3,762V (0 ℃) til 3,207 V (-30 ℃); Den totale batterikapasiteten har også gått kraftig ned fra 78,98mA · t (0 ℃) til 68,55 mA · t (-30 ℃).

2. Lavtemperaturegenskaper til positive elektrodematerialer med spinellstruktur

Det spinellstrukturerte LiMn2O4-katodematerialet har fordelene med lav pris og ikke-toksisitet på grunn av fraværet av Co-element.
Imidlertid resulterer de variable valenstilstandene til Mn og Jahn Teller-effekten av Mn3+ i strukturell ustabilitet og dårlig reversibilitet av denne komponenten.
Peng Zhengshun et al. påpekte at ulike prepareringsmetoder har stor innvirkning på den elektrokjemiske ytelsen til LiMn2O4 katodematerialer. Ta Rct som et eksempel: Rct av LiMn2O4 syntetisert ved høytemperaturfastfasemetoden er betydelig høyere enn det syntetisert ved solgelmetoden, og dette fenomenet gjenspeiles også i litiumionediffusjonskoeffisienten. Hovedårsaken til dette er at ulike syntesemetoder har en betydelig innvirkning på produktenes krystallinitet og morfologi.

3. Lavtemperaturegenskaper for fosfatsystemets positive elektrodematerialer

LiFePO4, sammen med ternære materialer, har blitt hovedkatodematerialet for strømbatterier på grunn av dets utmerkede volumstabilitet og sikkerhet. Den dårlige lavtemperaturytelsen til litiumjernfosfat skyldes hovedsakelig at materialet i seg selv er en isolator, med lav elektronisk ledningsevne, dårlig litiumionediffusjon og dårlig ledningsevne ved lav temperatur, noe som øker den indre motstanden til batteriet, påvirker polarisasjonen i stor grad, og hindrer lading og utlading av batteriet. Derfor er lavtemperaturytelsen ikke ideell.
Gu Yijie et al. fant at Coulombic-effektiviteten til LiFePO4 sank fra 100 % ved 55 ℃ til 96 % ved henholdsvis 0 ℃ og 64 % ved -20 ℃, når man studerte ladningsutladingsadferden ved lave temperaturer; Utladningsspenningen synker fra 3,11V ved 55 ℃ til 2,62V ved -20 ℃.
Xing et al. brukte nanokarbon for å modifisere LiFePO4 og fant ut at tilsetning av nanokarbonledende midler reduserte følsomheten til LiFePO4s elektrokjemiske ytelse for temperatur og forbedret ytelsen ved lav temperatur; Utladningsspenningen til modifisert LiFePO4 sank fra 3,40 V ved 25 ℃ til 3,09 V ved -25 ℃, med en nedgang på bare 9,12 %; Og batterieffektiviteten er 57,3 % ved -25 ℃, høyere enn 53,4 % uten ledende nanokarbon.
Den siste tiden har LiMnPO4 vakt sterk interesse blant folk. Forskning har funnet at LiMnPO4 har fordeler som høyt potensial (4,1V), ingen forurensning, lav pris og stor spesifikk kapasitet (170mAh/g). Men fordi LiMnPO4 har lavere ionisk ledningsevne enn LiFePO4, brukes det ofte i praksis til delvis å erstatte Mn med Fe for å danne LiMn0.8Fe0.2PO4 Fast løsning.

Lavtemperaturegenskaper til negative elektrodematerialer for litium-ion-batterier

Sammenlignet med positive elektrodematerialer er lavtemperaturforringelsen av negative elektrodematerialer i litiumionbatterier mer alvorlig, hovedsakelig på grunn av følgende tre årsaker:

• Under lading og utlading med lav temperatur og høy hastighet er batteripolarisasjonen alvorlig, og en stor mengde litiummetallavsetninger på den negative elektrodeoverflaten, og reaksjonsproduktene mellom litiummetall og elektrolytt har generelt ikke ledningsevne;
• Fra et termodynamisk perspektiv inneholder elektrolytten et stort antall polare grupper som C-O og C-N, som kan reagere med negative elektrodematerialer, noe som resulterer i SEI-filmer som er mer utsatt for lave temperaturer;
• Det er vanskelig å bygge inn litium i negative karbonelektroder ved lave temperaturer, noe som resulterer i asymmetrisk lading og utladning.

Forskning på lavtemperaturelektrolytter

Elektrolytt spiller en rolle i overføring av Li+in litium-ion-batterier, og dens ioneledningsevne og SEI-filmdannende ytelse har en betydelig innvirkning på lavtemperaturytelsen til batteriet. Det er tre hovedindikatorer for å bedømme kvaliteten på lavtemperaturelektrolytt: ioneledningsevne, elektrokjemisk vindu og elektrodereaksjonsaktivitet. Nivået på disse tre indikatorene avhenger i stor grad av deres bestanddeler: løsemidler, elektrolytter (litiumsalter) og tilsetningsstoffer. Derfor er studiet av lavtemperaturytelsen til ulike deler av elektrolytten av stor betydning for å forstå og forbedre lavtemperaturytelsen til batterier.

• Sammenlignet med kjedekarbonater har EC-baserte elektrolytter en kompakt struktur, høy kraft og høyt smeltepunkt og viskositet. Imidlertid fører den store polariteten forårsaket av den sirkulære strukturen ofte til en stor dielektrisk konstant. Den høye dielektrisitetskonstanten, høye ioniske ledningsevnen og den utmerkede filmdannende ytelsen til EC-løsningsmidler forhindrer effektivt saminnsetting av løsemiddelmolekyler, noe som gjør dem uunnværlige. Derfor er de mest brukte elektrolyttsystemer med lav temperatur basert på EC og blandet med lavtsmeltende småmolekylære løsemidler.
• 
  
• Litiumsalter er en viktig komponent i elektrolytter. Litiumsalter i elektrolytter kan ikke bare forbedre løsningens ioneledningsevne, men også redusere diffusjonsavstanden til Li+ i løsningen. Generelt sett, jo høyere konsentrasjon av Li+ i en løsning, desto større er dens ioneledningsevne. Konsentrasjonen av litiumioner i elektrolytten er imidlertid ikke lineært korrelert med konsentrasjonen av litiumsalter, men snarere i en parabolsk form. Dette er fordi konsentrasjonen av litiumioner i løsningsmidlet avhenger av styrken til dissosiasjonen og assosiasjonen av litiumsalter i løsningsmidlet.

I tillegg til selve batterisammensetningen kan også prosessfaktorer i praktisk drift ha en betydelig innvirkning på batteriytelsen.

(1) Forberedelsesprosess. Yaqub et al. studerte effekten av elektrodebelastning og beleggtykkelse på lavtemperaturytelsen til LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite-batterier og fant at når det gjelder kapasitetsbevaring, jo mindre elektrodebelastningen er, jo tynnere er belegglaget, og jo bedre dens lavtemperaturytelse.

(2) Lade- og utladingsstatus. Petzl et al. studerte effekten av lavtemperatur lade- og utladingsforhold på batterilevetiden og fant at når utladningsdybden er stor, vil det forårsake betydelig kapasitetstap og redusere sykluslevetiden.

(3) Andre faktorer. Overflatearealet, porestørrelsen, elektrodetettheten, fuktbarheten mellom elektrode og elektrolytt og separatoren til elektrodene påvirker alle lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier. I tillegg kan virkningen av defekter i materialer og prosesser på lavtemperaturytelsen til batterier ikke ignoreres.

Oppsummer

For å sikre lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier, er det nødvendig å gjøre følgende:

(1) Dannelse av en tynn og tett SEI-film;

(2) Sørg for at Li+ har en stor diffusjonskoeffisient i det aktive stoffet;

(3) Elektrolytter har høy ionisk ledningsevne ved lave temperaturer.

I tillegg kan forskning også utforske nye veier og fokusere på en annen type litium-ion-batterier - alle solid-state litium-ion-batterier. Sammenlignet med konvensjonelle litium-ion-batterier, forventes alle solid-state lithium-ion-batterier, spesielt alle solid-state tynnfilm litium-ion-batterier, å fullstendig løse kapasitetsnedbrytningen og syklussikkerhetsproblemene til batterier som brukes ved lave temperaturer.