Hvorfor reduseres litiumbatterikapasiteten om vinteren?

Hvorfor reduseres litiumbatterikapasiteten om vinteren

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 kjøretøyer, kreves det at batteriet kan 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.
• Den negative elektroden til litiumionbatterier i miljøer med lav temperatur opplever alvorlig litiumutfelling, og det utfelte metalliske litiumet reagerer med elektrolytten, noe som resulterer i avsetning av produktene og en økning i tykkelsen på det faste elektrolyttgrensesnittet (SEI).
• I miljøer med lav temperatur reduseres diffusjonssystemet til litium-ion-batterier i det aktive materialet, og ladningsoverføringsimpedansen (Rct) øker betydelig.

Utforskning av faktorer som påvirker lavtemperaturytelsen til litiumion-batterier

Ekspertuttalelse 1: Elektrolytt har størst innvirkning på lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier, og sammensetningen og de fysisk-kjemiske egenskapene til elektrolytten har en viktig innvirkning på lavtemperaturytelsen til batterier. Problemet med lavtemperatursyklus av batterier er at viskositeten til elektrolytten øker, ioneledningshastigheten reduseres, og migrasjonshastigheten til elektroner i den eksterne kretsen stemmer ikke overens, noe som resulterer i alvorlig polarisering av batteriet og en skarp reduksjon i lade- og utladningskapasitet. Spesielt ved lading ved lave temperaturer kan litiumioner lett danne litiumdendritter på den negative elektrodeoverflaten, noe som fører til batterisvikt.

Lavtemperaturytelsen til en elektrolytt er nært knyttet til dens egen ledningsevne. Elektrolytter med høy ledningsevne transporterer ioner raskt og kan utøve mer kapasitet ved lave temperaturer. Jo mer litiumsalter dissosierer i elektrolytten, jo mer migrasjon skjer, og jo høyere ledningsevne. Jo høyere ledningsevne og jo raskere ioneledningshastighet, jo mindre mottas polarisasjonen, og jo bedre ytelse har batteriet ved lave temperaturer. Derfor er en høyere ledningsevne en nødvendig betingelse for å oppnå god lavtemperaturytelse til litium-ion-batterier.

Konduktiviteten til en elektrolytt er relatert til dens sammensetning, og å redusere viskositeten til løsningsmidlet er en av måtene å forbedre ledningsevnen til elektrolytten på. Den gode fluiditeten 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-membranen.

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 positive elektrodematerialet for litium-ion-batterier. Dens representative stoffer inkluderer LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 og Li (Ni, Co, Mn) O2.

Xie Xiaohua et al. studerte LiCoO2/MCMB og testet dens lavtemperatur lade- og utladningsegenskaper.

Resultatene viste at etter hvert som temperaturen sank, sank 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 spinellstrukturerte katodematerialer

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 til fosfatsystemkatodematerialer

LiFePO4, sammen med ternære materialer, har blitt det viktigste positive elektrodematerialet for strømbatterier på grunn av dets utmerkede volumstabilitet og sikkerhet. Den dårlige lavtemperaturytelsen til litiumjernfosfat skyldes hovedsakelig at materialet er en isolator, lav elektronisk ledningsevne, dårlig litiumionediffusjon og dårlig ledningsevne ved lave temperaturer, noe som øker batteriets indre motstand og påvirkes sterkt av polarisering. , hindrer lading og utlading av batteriet, noe som resulterer i utilfredsstillende ytelse ved lav temperatur.

Når man studerer lade- og utladningsoppførselen til LiFePO4 ved lave temperaturer, viser Gu Yijie et al. fant at dens Coulombic-effektivitet sank fra 100 % ved 55 ℃ til 96 % ved henholdsvis 0 ℃ og 64 % ved -20 ℃; Utladningsspenningen synker fra 3,11V ved 55 ℃ til 2,62V ved -20 ℃.

Xing et al. modifiserte LiFePO4 ved bruk av nanokarbon og fant 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 nanokarbonledende midler.

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). På grunn av den lavere ioniske ledningsevnen til LiMnPO4 sammenlignet med LiFePO4, brukes Fe ofte til å delvis erstatte Mn for å danne LiMn0.8Fe0.2PO4 faste løsninger i praksis.

Lavtemperaturegenskaper til negative elektrodematerialer for litium-ion-batterier

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

• Under lavtemperatur høyhastighetslading og utlading 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 lavtemperatureffekter;
• Det er vanskelig å bygge inn litium i negative karbonelektroder ved lave temperaturer, noe som resulterer i asymmetrisk lading og utladning.

Forskning på lavtemperaturelektrolytter

Elektrolytten spiller en rolle i overføring av Li+in litium-ion-batterier, og dens ioneledningsevne og SEI-filmdannelse har en betydelig innvirkning på lavtemperaturytelsen til batteriet. Det er tre hovedindikatorer for å bedømme kvaliteten på lavtemperaturelektrolytter: 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 interaksjonskraft og høyere smeltepunkt og viskositet. Den store polariteten forårsaket av den sirkulære strukturen resulterer imidlertid ofte i en høy 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 høyere ioneledningsevne. Konsentrasjonen av litiumioner i elektrolytten er imidlertid ikke lineært korrelert med konsentrasjonen av litiumsalter, men har heller 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 og jo tynnere belegglaget er, desto bedre er det. lav temperatur ytelse.

(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 separator påvirker alle lavtemperaturytelsen til litium-ion-batterier. I tillegg kan innvirkningen av material- og prosessfeil på lavtemperaturytelsen til batterier ikke ignoreres.

Soppsummere

For å sikre lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier, må følgende punkter gjøres godt:

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

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

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

I tillegg kan forskning ta en annen tilnærming 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 litium-ion-batterier, spesielt alle solid-state tynnfilm lithium-ion-batterier, å fullstendig løse kapasitetsnedbrytningen og syklussikkerhetsproblemene til batterier som brukes ved lave temperaturer.