2024-04-26
Hvorfor reduseres litiumbatterikapasiteten om vinteren
Hvorfor reduseres litiumbatterikapasiteten om vinteren?
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. Lavtemperaturbruk av litium-ion-batterier har problemer som lav kapasitet, kraftig dempning, dårlig syklushastighet, åpenbar litiumutvikling og ubalansert fjerning og innsetting av litium. Med den kontinuerlige utvidelsen av bruksområder blir imidlertid begrensningene som følge av den dårlige lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier stadig tydeligere.
Siden litium-ion-batterier kom på markedet, har de blitt mye brukt på grunn av deres fordeler som lang levetid, stor spesifikk kapasitet og ingen minneeffekt. Litium-ion-batterier som brukes ved lave temperaturer har problemer som lav kapasitet, alvorlig dempning, dårlig syklushastighetsytelse, åpenbar litiumnedbør og ubalansert litiumdeinterkalering og -deinterkalering. Etter hvert som applikasjonsfeltene fortsetter å utvide seg, har imidlertid begrensningene forårsaket av den dårlige lavtemperaturytelsen til litiumion-batterier blitt stadig mer åpenbare.
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, kreves det at batteriet kan fungere normalt ved -40 ℃. Derfor er det av stor betydning å forbedre lavtemperaturegenskapene til litium-ion-batterier.
Ifølge rapporter er utladingskapasiteten til litiumion-batterier ved -20 °C bare omtrent 31,5 % av den ved romtemperatur. Driftstemperaturen til tradisjonelle litium-ion-batterier er mellom -20~+55 ℃. Men i romfart, militær industri, elektriske kjøretøy og andre felt, kreves batterier for å fungere normalt ved -40 °C. Derfor er det av stor betydning å forbedre lavtemperaturegenskapene til litium-ion-batterier.
Faktorer som begrenser lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier
Diskusjon om faktorer som påvirker lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier
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.
Ekspertuttalelse 1: Elektrolytten har størst innvirkning på lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier. Sammensetningen og fysiske og kjemiske egenskaper til elektrolytten har en viktig innvirkning på lavtemperaturytelsen til batteriet. Problemet med batterier som sykler ved lave temperaturer er at viskositeten til elektrolytten vil øke og ioneledningshastigheten vil reduseres, noe som resulterer i et misforhold i elektronmigrasjonshastigheten til den eksterne kretsen. Som et resultat vil batteriet være alvorlig polarisert og lade- og utladningskapasiteten vil bli kraftig redusert. Spesielt ved lading ved lave temperaturer kan litiumioner lett danne litiumdendritter på overflaten av den negative elektroden, og forårsake 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.
Lavtemperaturytelsen til elektrolytten er nært knyttet til ledningsevnen til selve elektrolytten. Elektrolytten med høy ledningsevne kan transportere ioner raskt og kan utøve mer kapasitet ved lave temperaturer. Jo flere litiumsalter i elektrolytten dissosieres, desto større antall migrasjoner og høyere ledningsevne. Konduktiviteten er høy, og jo raskere ioneledningshastigheten er, jo mindre er polarisasjonen, og jo bedre batteriytelse er ved lave temperaturer. Derfor er høyere elektrisk 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.
Elektrolyttens ledningsevne er relatert til sammensetningen av elektrolytten. Å redusere løsningsmidlets viskositet er en av måtene å forbedre ledningsevnen til elektrolytten. Den gode fluiditeten til løsningsmidlet ved lave temperaturer sikrer ionetransport, og den faste elektrolyttfilmen som dannes av elektrolytten på den negative elektroden ved lave temperaturer er også nøkkelen til å påvirke litiumioneledning, og RSEI er hovedimpedansen til litiumionbatterier 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.
Ekspert 2: Hovedfaktoren som begrenser lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier er den kraftige økningen i Li+ diffusjonsmotstand ved lave temperaturer, ikke SEI-filmen.
Lavtemperaturegenskaper for positive elektrodematerialer for litiumionbatterier
Lavtemperaturegenskaper for katodematerialer for litiumionbatterier
1. Lavtemperaturegenskaper for lagdelte positive elektrodematerialer
1. Lavtemperaturegenskaper for katodematerialer med lagdelt struktur
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.
Den lagdelte strukturen har ikke bare enestående hastighetsytelse for endimensjonale litiumionediffusjonskanaler, men har også den strukturelle stabiliteten til tredimensjonale kanaler. Det er det tidligste kommersielle litiumionbatterikatodematerialet. Dens representative stoffer inkluderer LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 og Li(Ni,Co,Mn)O2, etc.
Xie Xiaohua et al. studerte LiCoO2/MCMB og testet dens lavtemperatur lade- og utladningsegenskaper.
Xie Xiaohua og andre brukte LiCoO2/MCMB som forskningsobjekt og testet dens lavtemperatur-ladings- og utladningsegenskaper.
Resultatene viste at når 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 ℃).
Resultatene viser at når temperaturen synker, synker utladningsplattformen fra 3,762 V (0 ℃) til 3,207 V (–30 ℃) dens totale batterikapasitet synker også kraftig fra 78,98 mA·h (0 ℃) til 68,55 mA·h; (–30°C).
2. Lavtemperaturegenskaper til spinellstrukturerte katodematerialer
2. Lavtemperaturegenskaper til spinellstruktur katodematerialer
Det spinellstrukturerte LiMn2O4-katodematerialet har fordelene med lav pris og ikke-toksisitet på grunn av fraværet av Co-element.
Spinellstrukturen LiMn2O4 katodemateriale inneholder ikke Co-element, så det har fordelene med lav pris og ikke-toksisitet.
Imidlertid resulterer de variable valenstilstandene til Mn og Jahn Teller-effekten av Mn3+ i strukturell ustabilitet og dårlig reversibilitet av denne komponenten.
Imidlertid fører den variable valenstilstanden til Mn og Jahn-Teller-effekten til Mn3+ til 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.
Peng Zhengshun et al påpekte at forskjellige forberedelsesmetoder har større innvirkning på den elektrokjemiske ytelsen til LiMn2O4-katodematerialer. Ta Rct som et eksempel: Rct av LiMn2O4 syntetisert ved høytemperaturfastfasemetoden er betydelig høyere enn det syntetiserte. ved sol-gel-metoden, og dette fenomenet forekommer i litiumioner. Det gjenspeiles også i diffusjonskoeffisienten. Årsaken er hovedsakelig fordi ulike syntesemetoder har større innvirkning på krystalliniteten og morfologien til produktet.
3. Lavtemperaturegenskaper til fosfatsystemkatodematerialer
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.
Spinellstrukturen LiMn2O4 katodemateriale inneholder ikke Co-element, så det har fordelene med lav pris og ikke-toksisitet.
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.
På grunn av sin utmerkede volumstabilitet og sikkerhet, har LiFePO4, sammen med ternære materialer, blitt hoveddelen av nåværende katodematerialer for strømbatterier. Den dårlige lavtemperaturytelsen til litiumjernfosfat skyldes hovedsakelig at materialet i seg selv er en isolator, med lav elektronisk ledningsevne, dårlig litiumionediffusivitet og dårlig ledningsevne ved lave temperaturer, noe som øker den indre motstanden til batteriet, er sterkt påvirket av polarisering, og hindrer batterilading og utlading. Derfor er ytelse ved lav temperatur ikke ideell.
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 ℃.
Da Gu Yijie et al studerte ladnings- og utladningsadferden til LiFePO4 ved lave temperaturer, fant de at dens Coulombic-effektivitet falt fra 100 % ved 55 °C til 96 % ved 0 °C og 64 % ved –20 °C spenningen falt fra 3,11V ved 55°C. Reduseres til 2,62V ved –20°C.
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.
Xing et al. brukte nanokarbon for å modifisere LiFePO4 og fant at etter tilsetning av nanokarbonledende middel, var den elektrokjemiske ytelsen til LiFePO4 mindre følsom for temperatur og lavtemperaturytelsen ble forbedret etter modifikasjon, LiFePO4 Utladningsspenningen falt fra 3,40 V ved 25 ℃ til 3,09 V ved –25 ℃, en nedgang på bare 9,12 % og batterieffektiviteten ved –25 ℃ var 57,3 %, høyere enn 53,4 % uten nanokarbonledende middel.
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.
Den siste tiden har LiMnPO4 vakt stor interesse. Forskning har funnet at LiMnPO4 har fordelene med høyt potensial (4,1V), ingen forurensning, lav pris og stor spesifikk kapasitet (170mAh/g). På grunn av den lavere ioniske ledningsevnen til LiMnPO4 enn LiFePO4, brukes Fe ofte for å delvis erstatte Mn i praksis for å danne LiMn0.8Fe0.2PO4 fast løsning.
Lavtemperaturegenskaper til litium-ion-batterianodematerialer
Sammenlignet med positive elektrodematerialer er lavtemperaturdegraderingsfenomenet til negative elektrodematerialer i litiumionbatterier mer alvorlig, hovedsakelig på grunn av følgende tre årsaker:
Sammenlignet med katodematerialer er lavtemperaturforringelsen av litiumionbatterianodematerialer mer alvorlig. Det er tre hovedårsaker:
Forskning på lavtemperaturelektrolytter
Forskning på lavtemperaturelektrolytt
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.
Elektrolytten spiller en rolle i transport av Li+ i litium-ion-batterier, og dens ioniske ledningsevne og SEI-filmdannende egenskaper har en betydelig innvirkning på lavtemperaturytelsen til batteriet. Det er tre hovedindikatorer for å bedømme kvaliteten på lavtemperaturelektrolytter: ionisk ledningsevne, elektrokjemisk vindu og elektrodereaktivitet. Nivåene av disse tre indikatorene avhenger i stor grad av deres bestanddeler: løsemiddel, elektrolytt (litiumsalt) og tilsetningsstoffer. Derfor er studiet av lavtemperaturegenskapene til ulike deler av elektrolytten av stor betydning for å forstå og forbedre lavtemperaturytelsen til batteriet.
Litiumsalt er en viktig komponent i elektrolytten. Litiumsalt i elektrolytten kan ikke bare øke ioneledningsevnen til løsningen, men også redusere diffusjonsavstanden til Li+ i løsningen. Generelt sett, jo større Li+-konsentrasjon i løsningen, desto større er dens ioneledningsevne. Litiumionkonsentrasjonen i elektrolytten er imidlertid ikke lineært relatert til litiumsaltkonsentrasjonen, men er parabolsk. Dette er fordi konsentrasjonen av litiumioner i løsningsmidlet avhenger av styrken til dissosiasjonen og assosiasjonen av litiumsaltet i løsningsmidlet.
Forskning på lavtemperaturelektrolytter
Forskning på lavtemperaturelektrolytt
I tillegg til selve batterisammensetningen kan også prosessfaktorer i praktisk drift ha en betydelig innvirkning på batteriytelsen.
I tillegg til selve batterisammensetningen vil også prosessfaktorer i faktisk drift ha stor 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.
(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 elektrodebelastning og jo tynnere belegglag. , jo bedre ytelse ved lav temperatur.
(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.
(2) Lade- og utladningstilstand. Petzl et al. studerte virkningen av lavtemperaturlading og -utladingstilstander på batterisyklusens levetid og fant at når utladningsdybden er stor, vil det føre til større kapasitetstap og redusere syklusens levetid.
(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.
(3) Andre faktorer. Overflatearealet, porestørrelsen, elektrodensiteten til elektroden, fuktbarheten til elektroden og elektrolytten og separatoren påvirker alle lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier. I tillegg kan virkningen av defekter i materialer og prosesser på lavtemperaturytelsen til batterier ikke ignoreres.
Sammendrag
Oppsummer
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.
For å sikre lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier, må følgende punkter gjøres:
(1) Form en tynn og tett SEI-film;
(2) Sørg for at Li+ har en stor diffusjonskoeffisient i det aktive materialet;
(3) Elektrolytten har høy ionisk ledningsevne ved lave temperaturer.
I tillegg kan forskning også finne en annen måte å fokusere på en annen type litium-ion-batteri-alt-solid-state litium-ion-batteri. Sammenlignet med konvensjonelle litium-ion-batterier, forventes hel-solid-state litium-ion-batterier, spesielt hel-solid-tynn-film litium-ion-batterier, å fullstendig løse problemet med kapasitetsdemping og syklussikkerhetsproblemer for batterier som brukes på lave temperaturer.