Prečo sa kapacita lítiovej batérie v zime znižuje, konečne to niekto dokáže vysvetliť!
Odkedy lítium{0}}iónové batérie vstúpili na trh, sú široko používané vďaka ich výhodám, ako je dlhá životnosť, veľká špecifická kapacita a žiadny pamäťový efekt. Používanie lítium{1}}iónových batérií pri nízkych teplotách má problémy, ako je nízka kapacita, vážny útlm, nízka rýchlosť cyklu, zjavné usadzovanie lítia a nevyvážená extrakcia lítia. S neustálym rozširovaním aplikačných oblastí sú však obmedzenia spôsobené slabým-výkonom lítium-iónových batérií pri nízkych teplotách- stále zreteľnejšie.
Podľa správ je kapacita vybíjania lítium-iónových batérií pri -20 stupňoch len asi 31,5 percenta kapacity pri izbovej teplote. Prevádzková teplota tradičných lítium{8}}iónových batérií je medzi -20 a plus 55 stupňov . Avšak v oblastiach letectva, vojenského priemyslu, elektrických vozidiel atď. sa vyžaduje, aby batéria normálne fungovala pri teplote -40 stupňov. Preto je veľmi dôležité zlepšiť nízkoteplotné vlastnosti lítium-iónových batérií.
Faktory obmedzujúce nízkoteplotný výkon lítium{0}}iónových batérií
V prostredí s nízkou teplotou sa viskozita elektrolytu zvyšuje a dokonca čiastočne tuhne, čo vedie k zníženiu vodivosti lítium{0}}iónových batérií. Kompatibilita medzi elektrolytom a zápornou elektródou a separátorom sa zhoršuje v prostredí s nízkou teplotou. Záporná elektróda lítium-iónovej batérie má vážne vyzrážanie lítia v prostredí s nízkou teplotou a vyzrážané kovové lítium reaguje s elektrolytom a jeho usadzovanie vedie k zvýšeniu hrúbky pevnej látky- elektrolytické rozhranie (SEI). V prostredí s nízkou teplotou sa difúzny systém Li-iónových batérií v aktívnom materiáli znižuje a výrazne sa zvyšuje odpor prenosu náboja (Rct).
Diskusia o faktoroch ovplyvňujúcich výkon lítium-iónových batérií pri nízkych teplotách
Názor odborníka 1: Elektrolyt má najväčší vplyv na nízku-teplotu lítium-iónových batérií a zloženie a fyzikálno-chemické vlastnosti elektrolytu majú dôležitý vplyv na nízku{{3} } teplotný výkon batérie. Problémy, ktorým čelí batéria pri nízkej teplote sú: viskozita elektrolytu sa zvýši, rýchlosť vedenia iónov sa spomalí, čo bude mať za následok nesúlad rýchlosti migrácie elektrónov vo vonkajšom obvode, takže batéria bude silne polarizovaná a kapacita nabíjania a vybíjania sa prudko zníži. Najmä pri nabíjaní pri nízkej teplote lítiové ióny ľahko vytvárajú lítiové dendrity na povrchu zápornej elektródy, čo vedie k poruche batérie.
Nízkoteplotný výkon elektrolytu úzko súvisí s veľkosťou vodivosti samotného elektrolytu. Elektrolyt s vysokou vodivosťou rýchlo prenáša ióny a môže vyvinúť väčšiu kapacitu pri nízkej teplote. Čím viac je lítiová soľ v elektrolyte disociovaná, tým vyšší je počet migrácií a tým vyššia je vodivosť. Čím vyššia je elektrická vodivosť, tým rýchlejšia je rýchlosť vodivosti iónov, tým menšia je polarizácia a tým lepší je výkon batérie pri nízkej teplote. Vyššia elektrická vodivosť je preto nevyhnutnou podmienkou na dosiahnutie dobrého výkonu lítium-iónových batérií pri nízkych{0}}teplotách-.
Vodivosť elektrolytu súvisí so zložením elektrolytu a zníženie viskozity rozpúšťadla je jedným zo spôsobov, ako zlepšiť vodivosť elektrolytu. Dobrá tekutosť rozpúšťadla pri nízkej teplote je zárukou transportu iónov a pevný elektrolytický film tvorený elektrolytom na zápornej elektróde pri nízkej teplote je tiež kľúčom k ovplyvneniu vodivosti lítiových iónov a RSEI je hlavnou impedanciou. lítium-iónových batérií v prostredí s nízkou teplotou.
Expert 2: Hlavným faktorom obmedzujúcim výkon lítium-iónových batérií pri nízkych teplotách je výrazne zvýšený difúzny odpor Li plus pri nízkych teplotách, nie film SEI.
Nízkoteplotné vlastnosti katódových materiálov pre lítium-iónové batérie
1. Nízkoteplotné vlastnosti vrstvených katódových materiálov
Vrstvená štruktúra má nielen neporovnateľnú rýchlosť výkonu jednorozmerných lítium-iónových difúznych kanálov, ale má aj štrukturálnu stabilitu trojrozmerných kanálov. Je to prvý komerčný katódový materiál pre lítium-iónové batérie. Jeho zástupcami sú LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 a Li(Ni, Co, Mn)O2 a tak ďalej.
Xie Xiaohua a kol. vzali za výskumný objekt LiCoO2/MCMB a otestovali jeho charakteristiky vybíjania pri nízkych-teplotách-vybíjania.
The results show that with the decrease of temperature, the discharge platform drops from 3.762V (0 degree ) to 3.207V (–30 degree ); the total battery capacity also decreases sharply from 78.98mA·h (0 degree ) to 68.55mA·h (–30 degree ).
2. Nízko{1}}teplotné charakteristiky spinelových{2}}štruktúrovaných katódových materiálov
Katódový materiál so spinelovou štruktúrou LiMn2O4 má výhody nízkej ceny a -netoxicity, pretože neobsahuje prvok Co.
Avšak valenčná variabilita Mn a Jahn{0}}Tellerov efekt Mn3 plus vedú k štrukturálnej nestabilite a zlej reverzibilite tejto zložky.
Peng Zhengshun a kol. poukázal na to, že rôzne spôsoby prípravy majú veľký vplyv na elektrochemický výkon katódových materiálov LiMn2O4. Ak si vezmeme Rct ako príklad: Rct LiMn2O4 syntetizovaného vysokoteplotnou metódou v tuhej -fáze je výrazne vyššia ako pri metóde sol-gélu a tento jav je v lítium-iónovej metóde. Odráža sa aj difúzny koeficient. Dôvodom je, že rôzne spôsoby syntézy majú veľký vplyv na kryštalinitu a morfológiu produktov.
3. Nízkoteplotné charakteristiky katódových materiálov fosfátového systému
Vďaka svojej vynikajúcej objemovej stabilite a bezpečnosti sa LiFePO4 spolu s ternárnymi materiálmi stal hlavným telom súčasných katódových materiálov pre napájacie batérie. Nízka výkonnosť fosforečnanu lítno-železitého je spôsobená najmä skutočnosťou, že samotný materiál je izolátor s nízkou elektrónovou vodivosťou, zlou difúziou lítium-iónových iónov a zlou vodivosťou pri nízkej teplote, čo zvyšuje vnútorný odpor batérie, čo je značne ovplyvnený polarizáciou a bráni nabíjaniu a vybíjaniu batérie. Preto výkon pri nízkej teplote nie je ideálny.
When studying the charge{{0}}discharge behavior of LiFePO4 at low temperature, Gu Yijie et al. found that its coulombic efficiency dropped from 100 percent at 55 degree to 96 percent at 0 degree and 64 percent at -20 degree , respectively; the discharge voltage decreased from 3.11V at 55 degree . Decrease to 2.62V at –20 degree .
Xing et al. modified LiFePO4 with nano-carbon and found that after adding nano-carbon conductive agent, the electrochemical performance of LiFePO4 was less sensitive to temperature, and the low-temperature performance was improved; the discharge voltage of modified LiFePO4 increased from 3.40 at 25 degree V drops to 3.09V at –25 degree , a decrease of only 9.12 percent ; and its cell efficiency at –25 degree is 57.3 percent , which is higher than 53.4 percent without nano-carbon conductive agent.
LiMnPO4 v poslednej dobe vzbudil veľký záujem. Štúdia zistila, že LiMnPO4 má výhody vysokého potenciálu (4,1 V), žiadne znečistenie, nízku cenu a veľkú špecifickú kapacitu (170mAh/g). Avšak kvôli nižšej iónovej vodivosti LiMnPO4 ako LiFePO4 sa v praxi často používa Fe na čiastočnú náhradu Mn za vzniku tuhého roztoku LiMn0.8Fe0.2PO4.
Nízkoteplotné vlastnosti anódových materiálov pre lítium-iónové batérie
V porovnaní s materiálom kladnej elektródy je zhoršenie nízkej teploty materiálu zápornej elektródy lítium-iónovej batérie vážnejšie, najmä z nasledujúcich troch dôvodov:
When the battery is charged and discharged at a high rate at low temperature, the polarization of the battery is serious, and a large amount of metal lithium is deposited on the surface of the negative electrode, and the reaction product of metal lithium and the electrolyte generally does not have conductivity; From the perspective of thermodynamics, the electrolyte contains a large amount of C–O, C– N etc.
The polar group can react with the negative electrode material, and the formed SEI film is more susceptible to low temperature; · The carbon negative electrode is difficult to intercalate lithium at low temperature, and there is asymmetric charge and discharge.
a98c6b55abdcd5adc3579beecae2cbd9.png
Výskum nízkoteplotného elektrolytu
Elektrolyt zohráva úlohu transportu Li plus v lítium-iónových batériách a jeho iónová vodivosť a vlastnosti tvorby filmu SEI-majú významný vplyv na výkonnosť batérie pri nízkych-teplotách . Existujú tri hlavné ukazovatele na posúdenie výhod a nevýhod elektrolytov s nízkou teplotou: iónová vodivosť, elektrochemické okno a reaktivita elektródy. Úroveň týchto troch ukazovateľov závisí vo veľkej miere od zložiek, z ktorých pozostáva: rozpúšťadlo, elektrolyt (lítiová soľ) a prísady. Preto má výskum výkonu pri nízkych teplotách každej časti elektrolytu veľký význam pre pochopenie a zlepšenie výkonu batérie pri nízkych teplotách.
·Low-temperature characteristics of EC-based electrolytes Compared with chain carbonates, cyclic carbonates have a tighter structure, larger acting force, and higher melting point and viscosity. However, the large polarity brought by the ring structure makes it often have a large dielectric constant. The large dielectric constant, high ionic conductivity, and excellent film-forming properties of EC solvent effectively prevent the co-insertion of solvent molecules, making it indispensable. Therefore, most of the commonly used low-temperature electrolyte systems are based on EC, and then mixed Small molecule solvent with low melting point. ·Lithium salt is an important component of electrolyte. Lithium salt in the electrolyte can not only improve the ionic conductivity of the solution, but also reduce the diffusion distance of Li plus in the solution. In general, the greater the concentration of Li plus in the solution, the greater the ionic conductivity. However, the concentration of lithium ions in the electrolyte is not linearly related to the concentration of lithium salts, but is parabolic. This is because the concentration of lithium ions in the solvent depends on the strength of the dissociation and association of lithium salts in the solvent.
Výskum nízkoteplotného elektrolytu
Okrem zloženia samotnej batérie budú mať na výkon batérie veľký vplyv aj procesné faktory v skutočnej prevádzke.
(1) Proces prípravy. Yaqub a kol. študovali vplyv zaťaženia elektródy a hrúbky povlaku na nízkoteplotný výkon LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /grafitových batérií a zistili, že pokiaľ ide o zachovanie kapacity, menšie zaťaženie elektródy a tenšia vrstva povlaku, tým lepší výkon pri nízkych teplotách. .
(2) Stav nabitia a vybitia. Petzl a kol. študovali vplyv stavu vybitia pri nízkej teplote-nabitia- na životnosť batérie a zistili, že keď je hĺbka vybitia veľká, spôsobí väčšiu stratu kapacity a skráti životnosť batérie.
(3) Iné faktory. Plocha povrchu, veľkosť pórov, hustota elektródy, zmáčavosť elektródy a elektrolytu a separátora atď., to všetko ovplyvňuje výkon lítium-iónových batérií pri nízkych -teplotách{2}}. Okrem toho nemožno ignorovať vplyv chýb materiálu a procesu na výkon batérie pri nízkych teplotách.
Zhrnúť
Na zabezpečenie výkonu lítium-iónových batérií pri nízkych teplotách je potrebné vykonať nasledujúce body:
(1) Vytvorte tenký a hustý film SEI;
(2) Uistite sa, že Li plus má veľký difúzny koeficient v aktívnom materiáli;
(3) Elektrolyt má vysokú iónovú vodivosť pri nízkej teplote.
Okrem toho môže výskum nájsť aj iný spôsob, ako sa pozrieť na iný typ lítium-iónovej batérie-celej-pevnej-lítium{4}}iónovej batérie . V porovnaní s bežnými lítium{5}}iónovými batériami sú všetky-pevné-lítium{8}}iónové batérie, najmä všetky-tenké-pevné{10} Očakáva sa, že {11}}filmové lítium{12}}iónové batérie úplne vyriešia problém poklesu kapacity a bezpečnosti cyklu, keď sa batérie používajú pri nízkych teplotách.
