De ce scade capacitatea bateriei cu litiu iarna?

De ce scade capacitatea bateriei cu litiu iarna

Potrivit rapoartelor, capacitatea de descărcare a bateriilor litiu-ion la -20 ℃ este de numai aproximativ 31,5% din cea la temperatura camerei. Bateriile tradiționale litiu-ion funcționează la temperaturi cuprinse între -20 și +55 ℃. Cu toate acestea, în domenii precum vehiculele aerospațiale, militare și electrice, este necesar ca bateria să poată funcționa normal la -40 ℃. Prin urmare, îmbunătățirea proprietăților la temperatură scăzută ale bateriilor litiu-ion este de mare importanță.

Factori care limitează performanța la temperatură scăzută a bateriilor litiu-ion

• În medii cu temperatură scăzută, vâscozitatea electrolitului crește și chiar se solidifică parțial, ducând la o scădere a conductibilității bateriilor litiu-ion.
• Compatibilitatea dintre electrolit, electrodul negativ și separator se deteriorează în medii cu temperatură scăzută.
• Electrodul negativ al bateriilor litiu-ion în medii cu temperatură joasă suferă precipitații severe de litiu, iar litiul metalic precipitat reacționează cu electrolitul, ducând la depunerea produselor sale și la o creștere a grosimii interfeței electrolitului solid (SEI).
• În medii cu temperatură scăzută, sistemul de difuzie al bateriilor litiu-ion în materialul activ scade, iar impedanța de transfer a sarcinii (Rct) crește semnificativ.

Explorarea factorilor care afectează performanța la temperatură scăzută a bateriilor litiu-ion

Opinia expertului 1: Electrolitul are cel mai mare impact asupra performanței la temperatură joasă a bateriilor litiu-ion, iar compoziția și proprietățile fizico-chimice ale electrolitului au un impact important asupra performanței la temperatură scăzută a bateriilor. Problema cu care se confruntă ciclul de temperatură joasă a bateriilor este că vâscozitatea electrolitului crește, viteza conducției ionice încetinește, iar viteza de migrare a electronilor în circuitul extern nu se potrivește, ceea ce duce la polarizarea severă a bateriei și o ascuțire ascuțită. scăderea capacității de încărcare și descărcare. Mai ales atunci când se încarcă la temperaturi scăzute, ionii de litiu pot forma cu ușurință dendrite de litiu pe suprafața electrodului negativ, ceea ce duce la defectarea bateriei.

Performanța la temperatură scăzută a unui electrolit este strâns legată de propria conductivitate. Electroliții cu conductivitate ridicată transportă ionii rapid și pot exercita mai multă capacitate la temperaturi scăzute. Cu cât se disociază mai multe săruri de litiu în electrolit, cu atât are loc mai multă migrare și conductivitatea este mai mare. Cu cât conductivitatea este mai mare și rata conducției ionilor mai rapidă, cu atât polarizarea primită este mai mică și performanța bateriei este mai bună la temperaturi scăzute. Prin urmare, o conductivitate mai mare este o condiție necesară pentru obținerea unei bune performanțe la temperatură joasă a bateriilor litiu-ion.

Conductivitatea unui electrolit este legată de compoziția sa, iar reducerea vâscozității solventului este una dintre modalitățile de îmbunătățire a conductibilității electrolitului. Fluiditatea bună a solvenților la temperaturi scăzute este o garanție pentru transportul ionilor, iar filmul de electrolit solid format de electrolit pe electrodul negativ la temperaturi scăzute este, de asemenea, un factor cheie care afectează conducția ionilor de litiu, iar RSEI este principala impedanță a litiului- baterii ionice în medii cu temperatură scăzută.

Expert 2: Principalul factor care limitează performanța la temperatură scăzută a bateriilor litiu-ion este creșterea rapidă a impedanței de difuzie Li+la temperaturi scăzute, mai degrabă decât membrana SEI.

Caracteristicile de temperatură scăzută ale materialelor cu electrozi pozitivi pentru bateriile litiu-ion

1. Caracteristicile de temperatură scăzută ale materialelor cu electrozi pozitivi stratificati

Structura stratificată, cu performanțe de viteză de neegalat în comparație cu canalele de difuzie litiu-ion unidimensionale și stabilitatea structurală a canalelor tridimensionale, este cel mai vechi material de electrod pozitiv disponibil comercial pentru bateriile litiu-ion. Substanțele sale reprezentative includ LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 și Li (Ni, Co, Mn) O2.

Xie Xiaohua și colab. a studiat LiCoO2/MCMB și i-a testat caracteristicile de încărcare și descărcare la temperatură joasă.

Rezultatele au arătat că, pe măsură ce temperatura a scăzut, platoul de descărcare a scăzut de la 3,762 V (0 ℃) la 3,207 V (-30 ℃); Capacitatea totală a bateriei a scăzut, de asemenea, drastic de la 78,98 mA · h (0 ℃) la 68,55 mA · h (-30 ℃).

2. Caracteristicile de temperatură scăzută ale materialelor catodice structurate cu spinel

Materialul catodic LiMn2O4 structurat în spinel are avantajele costului scăzut și netoxicității datorită absenței elementului Co.

Cu toate acestea, stările de valență variabile ale Mn și efectul Jahn Teller al Mn3+ au ca rezultat instabilitatea structurală și reversibilitatea slabă a acestei componente.

Peng Zhengshun și colab. a subliniat că diferite metode de preparare au un impact mare asupra performanței electrochimice a materialelor catodice LiMn2O4. Luați Rct ca exemplu: Rct al LiMn2O4 sintetizat prin metoda fază solidă la temperatură înaltă este semnificativ mai mare decât cel sintetizat prin metoda sol gel, iar acest fenomen se reflectă și în coeficientul de difuzie a ionilor de litiu. Motivul principal pentru aceasta este că diferitele metode de sinteză au un impact semnificativ asupra cristalinității și morfologiei produselor.

3. Caracteristicile de temperatură scăzută ale materialelor catodice ale sistemului de fosfat

LiFePO4, împreună cu materialele ternare, a devenit principalul material de electrozi pozitivi pentru bateriile de putere datorită stabilității sale excelente de volum și siguranței. Performanța slabă la temperatură scăzută a fosfatului de litiu fier se datorează în principal materialului său izolator, conductivitate electronică scăzută, difuzie slabă a ionilor de litiu și conductivitate slabă la temperaturi scăzute, ceea ce crește rezistența internă a bateriei și este foarte afectat de polarizare. , împiedicând încărcarea și descărcarea bateriei, rezultând performanțe nesatisfăcătoare la temperatură scăzută.

Când studiază comportamentul de încărcare și descărcare al LiFePO4 la temperaturi scăzute, Gu Yijie și colab. a constatat că eficiența sa coulombică a scăzut de la 100% la 55 ℃ la 96% la 0 ℃ și, respectiv, 64% la -20 ℃; Tensiunea de descărcare scade de la 3,11 V la 55 ℃ la 2,62 V la -20 ℃.

Xing și colab. a modificat LiFePO4 folosind nanocarbon și a constatat că adăugarea de agenți conductivi de nanocarbon a redus sensibilitatea performanței electrochimice LiFePO4 la temperatură și i-a îmbunătățit performanța la temperatură scăzută; Tensiunea de descărcare a LiFePO4 modificat a scăzut de la 3,40 V la 25 ℃ la 3,09 V la -25 ℃, cu o scădere de doar 9,12%; Și eficiența bateriei sale este de 57,3% la -25 ℃, mai mare decât 53,4% fără agenți conductivi de nanocarbon.

Recent, LiMnPO4 a trezit un interes puternic în rândul oamenilor. Cercetările au descoperit că LiMnPO4 are avantaje precum potențial ridicat (4,1 V), lipsă de poluare, preț scăzut și capacitate specifică mare (170 mAh/g). Cu toate acestea, datorită conductivității ionice mai scăzute a LiMnPO4 în comparație cu LiFePO4, Fe este adesea folosit pentru a înlocui parțial Mn pentru a forma soluții solide LiMn0.8Fe0.2PO4 în practică.

Caracteristicile de temperatură scăzută ale materialelor cu electrozi negativi pentru bateriile litiu-ion

În comparație cu materialele cu electrozi pozitivi, fenomenul de degradare la temperatură scăzută a materialelor cu electrozi negativi din bateriile cu litiu-ion este mai sever, în principal din următoarele trei motive:

• În timpul încărcării și descărcării cu viteză ridicată la temperatură joasă, polarizarea bateriei este severă și o cantitate mare de litiu metalic se depune pe suprafața electrodului negativ, iar produsele de reacție dintre litiu metal și electrolit, în general, nu au conductivitate;
• Dintr-o perspectivă termodinamică, electrolitul conține un număr mare de grupuri polare, cum ar fi C-O și C-N, care pot reacționa cu materialele electrozilor negativi, rezultând filme SEI care sunt mai susceptibile la efectele de temperatură scăzută;
• Este dificil să se încorporeze litiul în electrozii carbon negativi la temperaturi scăzute, ceea ce duce la încărcare și descărcare asimetrică.

Cercetări privind electroliții de temperatură joasă

Electrolitul joacă un rol în transmiterea Li+ în bateriile litiu-ion, iar conductivitatea ionică și performanța de formare a peliculei SEI au un impact semnificativ asupra performanței la temperatură scăzută a bateriei. Există trei indicatori principali pentru evaluarea calității electroliților la temperatură joasă: conductivitatea ionică, fereastra electrochimică și activitatea de reacție a electrodului. Nivelul acestor trei indicatori depinde în mare măsură de materialele lor constitutive: solvenți, electroliți (săruri de litiu) și aditivi. Prin urmare, studiul performanței la temperatură joasă a diferitelor părți ale electrolitului este de mare importanță pentru înțelegerea și îmbunătățirea performanței la temperatură joasă a bateriilor.

• În comparație cu carbonații în lanț, electroliții pe bază de EC au o structură compactă, forță mare de interacțiune și punct de topire și vâscozitate mai ridicate. Cu toate acestea, polaritatea mare adusă de structura circulară duce adesea la o constantă dielectrică ridicată. Constanta dielectrică ridicată, conductivitate ionică ridicată și performanța excelentă de formare a peliculei a solvenților EC împiedică în mod eficient coinserarea moleculelor de solvent, făcându-le indispensabile. Prin urmare, cele mai utilizate sisteme de electroliți la temperatură joasă sunt bazate pe EC și sunt amestecate cu solvenți cu molecule mici cu punct de topire scăzut.
• Sărurile de litiu sunt o componentă importantă a electroliților. Sărurile de litiu din electroliți pot nu numai să îmbunătățească conductivitatea ionică a soluției, ci și să reducă distanța de difuzie a Li+ în soluție. În general, cu cât concentrația de Li+ într-o soluție este mai mare, cu atât conductivitatea ionică a acesteia este mai mare. Cu toate acestea, concentrația ionilor de litiu în electrolit nu este corelată liniar cu concentrația de săruri de litiu, ci prezintă mai degrabă o formă parabolică. Acest lucru se datorează faptului că concentrația ionilor de litiu în solvent depinde de puterea disocierii și asocierii sărurilor de litiu în solvent.

Pe lângă compoziția bateriei în sine, factorii de proces în funcționarea practică pot avea, de asemenea, un impact semnificativ asupra performanței bateriei.

(1) Procesul de pregătire. Yaqub şi colab. a studiat efectul încărcării electrodului și al grosimii stratului de acoperire asupra performanței la temperatură scăzută a bateriilor LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphit și a constatat că, în ceea ce privește reținerea capacității, cu cât este mai mică sarcina electrodului și cu cât stratul de acoperire este mai subțire, cu atât este mai bine. performanță la temperatură scăzută.

(2) Starea de încărcare și descărcare. Petzl şi colab. a studiat efectul condițiilor de încărcare și descărcare la temperatură scăzută asupra duratei de viață a bateriilor și a constatat că, atunci când adâncimea de descărcare este mare, va cauza pierderi semnificative de capacitate și va reduce durata de viață a ciclului.

(3) Alți factori. Suprafața, dimensiunea porilor, densitatea electrodului, umectarea dintre electrod și electrolit și separatorul afectează toate performanța la temperatură joasă a bateriilor litiu-ion. În plus, impactul defectelor de material și de proces asupra performanței la temperaturi scăzute a bateriilor nu poate fi ignorat.

Sfinalizarea

Pentru a asigura performanța la temperatură scăzută a bateriilor litiu-ion, următoarele puncte trebuie făcute bine:

(1) Formarea unui film SEI subțire și dens;

(2) Asigurați-vă că Li+ are un coeficient de difuzie ridicat în substanța activă;

(3) Electroliții au o conductivitate ionică ridicată la temperaturi scăzute.

În plus, cercetarea poate adopta o abordare diferită și se poate concentra pe un alt tip de baterie litiu-ion - toate bateriile cu stare solidă litiu-ion. În comparație cu bateriile litiu-ion convenționale, toate bateriile litiu-ion cu stare solidă, în special toate bateriile litiu-ion cu film subțire cu stare solidă, se așteaptă să rezolve complet problemele de degradare a capacității și de siguranță la cicluri ale bateriilor utilizate la temperaturi scăzute.