2023-07-13
Proč se kapacita lithiových baterií v zimě snižuje? Konečně někdo může vysvětlit!
Od vstupu na trh jsou lithium-iontové baterie široce používány díky svým výhodám, jako je dlouhá životnost, velká specifická kapacita a žádný paměťový efekt. Lithium-iontové baterie používané při nízkých teplotách mají problémy, jako je nízká kapacita, silný útlum, špatný cyklický výkon, zjevný vývoj lithia a nevyvážené vyjímání a vkládání lithia. S neustálým rozšiřováním aplikačních oblastí se však stále více objevují omezení způsobená špatným výkonem lithium-iontových baterií při nízkých teplotách.
Podle zpráv je vybíjecí kapacita lithium-iontových baterií při -20 ℃ pouze asi 31,5 % kapacity při pokojové teplotě. Tradiční lithium-iontové baterie fungují při teplotách mezi -20~+55 ℃. V oblastech, jako je letectví, vojenská a elektrická vozidla, se však vyžaduje, aby baterie normálně fungovaly při -40 ℃. Zlepšení nízkoteplotních vlastností lithium-iontových baterií má proto velký význam.
Faktory omezující nízkoteplotní výkon lithium-iontových baterií
Diskuse o faktorech ovlivňujících nízkoteplotní výkon lithium-iontových baterií
Pohled odborníka 1: Elektrolyt má největší vliv na nízkoteplotní výkon lithium-iontových baterií a složení a fyzikálně-chemické vlastnosti elektrolytu mají významný vliv na nízkoteplotní výkon baterie. Problém, kterému čelí cyklování baterií při nízkých teplotách, spočívá v tom, že se zvýší viskozita elektrolytu, zpomalí se rychlost vedení iontů, což způsobí nesoulad v rychlosti migrace elektronů ve vnějším obvodu, což má za následek silnou polarizaci baterie a prudký pokles kapacity vybíjení náboje. Zejména při nabíjení při nízkých teplotách mohou ionty lithia snadno vytvářet lithiové dendrity na povrchu záporné elektrody, což vede k selhání baterie.
Nízkoteplotní výkon elektrolytů úzce souvisí s vodivostí samotného elektrolytu. Elektrolyty s vysokou vodivostí transportují ionty rychle a mohou mít větší kapacitu při nízkých teplotách. Čím více solí lithia v elektrolytu disociuje, tím více migrují a tím vyšší je jejich vodivost. Čím vyšší je vodivost a čím rychlejší je rychlost vedení iontů, tím menší je polarizace a tím lepší je výkon baterie při nízkých teplotách. Proto je vysoká vodivost nezbytnou podmínkou pro dosažení dobrého nízkoteplotního výkonu lithium-iontových baterií.
Vodivost elektrolytu souvisí s jeho složením a snížení viskozity rozpouštědla je jednou z možností, jak vodivost elektrolytu zlepšit. Dobrá tekutost rozpouštědel při nízkých teplotách je zárukou pro transport iontů a pevný elektrolytický film tvořený elektrolytem na záporné elektrodě při nízkých teplotách je také klíčovým faktorem ovlivňujícím vodivost lithných iontů a RSEI je hlavní impedance lithia- iontové baterie v prostředí s nízkou teplotou.
Expert 2: Hlavním faktorem omezujícím nízkoteplotní výkon lithium-iontových baterií je rychle rostoucí Li+difuzní impedance při nízkých teplotách, spíše než SEI membrány.
Nízkoteplotní charakteristiky materiálů kladných elektrod pro lithium-iontové baterie
1. Nízkoteplotní charakteristiky vrstvených materiálů kladných elektrod
Vrstvená struktura s bezkonkurenčním rychlostním výkonem ve srovnání s jednorozměrnými lithium-iontovými difúzními kanály a strukturální stabilitou trojrozměrných kanálů je prvním komerčně dostupným katodovým materiálem pro lithium-iontové baterie. Mezi jeho zástupce patří LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2 a Li (Ni, Co, Mn) O2.
Xie Xiaohua a kol. testoval nízkoteplotní nabíjecí a vybíjecí charakteristiky LiCoO2/MCMB jako výzkumný objekt.
Výsledky ukazují, že s klesající teplotou se vybíjecí plošina snižuje z 3,762 V (0 ℃) na 3,207 V (-30 ℃); Celková kapacita baterie se také prudce snížila z 78,98 mA · h (0 ℃) na 68,55 mA · h (-30 ℃).
2. Nízkoteplotní charakteristiky materiálů kladných elektrod spinelové struktury
Spinel strukturovaný katodový materiál LiMn2O4 má výhody nízké ceny a netoxicitu díky absenci Co prvku.
Avšak proměnlivé stavy valence Mn a Jahn Tellerův efekt Mn3+ mají za následek strukturální nestabilitu a špatnou reverzibilitu této složky.
Peng Zhengshun a kol. poukázal na to, že různé způsoby přípravy mají velký vliv na elektrochemické vlastnosti katodových materiálů LiMn2O4. Vezměte Rct jako příklad: Rct LiMn2O4 syntetizovaného vysokoteplotní metodou na pevné fázi je výrazně vyšší než Rct syntetizované metodou sol gelu a tento jev se také odráží v koeficientu difúze lithných iontů. Hlavním důvodem je to, že různé metody syntézy mají významný vliv na krystalinitu a morfologii produktů.
3. Nízkoteplotní charakteristiky materiálů kladných elektrod fosfátového systému
LiFePO4 se spolu s ternárními materiály stal hlavním katodovým materiálem pro napájecí baterie pro svou vynikající objemovou stabilitu a bezpečnost. Špatný nízkoteplotní výkon fosforečnanu lithného je způsoben hlavně tím, že jeho materiál je sám o sobě izolantem s nízkou elektronovou vodivostí, špatnou difúzí lithných iontů a špatnou vodivostí při nízké teplotě, což zvyšuje vnitřní odpor baterie, výrazně ovlivňuje polarizaci, a brání nabíjení a vybíjení baterie. Proto není výkon při nízkých teplotách ideální.
Gu Yijie a kol. zjistili, že coulombická účinnost LiFePO4 klesla ze 100 % při 55 ℃ na 96 % při 0 ℃ a 64 % při -20 ℃, při studiu jeho chování při vybíjení náboje při nízkých teplotách; Vybíjecí napětí klesá z 3,11 V při 55 ℃ na 2,62 V při -20 ℃.
Xing a kol. použil nano uhlík k modifikaci LiFePO4 a zjistil, že přidání nanokarbonových vodivých činidel snížilo citlivost elektrochemického výkonu LiFePO4 na teplotu a zlepšilo jeho výkon při nízkých teplotách; Vybíjecí napětí modifikovaného LiFePO4 se snížilo z 3,40 V při 25 ℃ na 3,09 V při -25 ℃, s poklesem pouze o 9,12 %; A účinnost jeho baterie je 57,3 % při -25 ℃, vyšší než 53,4 % bez nano uhlíkových vodivých činidel.
LiMnPO4 v poslední době vzbudil mezi lidmi velký zájem. Výzkum zjistil, že LiMnPO4 má výhody, jako je vysoký potenciál (4,1 V), žádné znečištění, nízká cena a velká specifická kapacita (170 mAh/g). Protože má však LiMnPO4 nižší iontovou vodivost než LiFePO4, v praxi se často používá k částečnému nahrazení Mn Fe za vzniku tuhého roztoku LiMn0,8Fe0,2PO4.
Nízkoteplotní charakteristiky materiálů záporných elektrod pro lithium-iontové baterie
Ve srovnání s materiály kladných elektrod je poškození materiálů záporných elektrod při nízké teplotě v lithium-iontových bateriích závažnější, a to zejména z následujících tří důvodů:
Výzkum nízkoteplotních elektrolytů
Elektrolyt hraje roli při přenosu Li+ v lithium-iontových bateriích a jeho iontová vodivost a schopnost tvorby filmu SEI mají významný dopad na nízkoteplotní výkon baterie. Existují tři hlavní ukazatele pro posouzení kvality nízkoteplotního elektrolytu: iontová vodivost, elektrochemické okno a aktivita elektrodové reakce. Úroveň těchto tří indikátorů do značné míry závisí na jejich složkách: rozpouštědlech, elektrolytech (lithné soli) a přísadách. Proto má studium nízkoteplotního výkonu různých částí elektrolytu velký význam pro pochopení a zlepšení nízkoteplotního výkonu baterií.
Kromě samotného složení baterie mohou mít na výkon baterie významný vliv také procesní faktory v praktickém provozu.
(1) Proces přípravy. Yaqub a kol. studovali účinky zatížení elektrod a tloušťky povlaku na nízkoteplotní výkon LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/grafitových baterií a zjistili, že pokud jde o zachování kapacity, čím menší je zatížení elektrody, tím tenčí je vrstva povlaku a tím lépe jeho výkon při nízkých teplotách.
(2) Stav nabíjení a vybíjení. Petzl a kol. studovali vliv podmínek nízkoteplotního nabíjení a vybíjení na životnost baterií a zjistili, že když je hloubka vybití velká, způsobí významnou ztrátu kapacity a zkrátí životnost cyklu.
(3) Jiné faktory. Povrchová plocha, velikost pórů, hustota elektrody, smáčivost mezi elektrodou a elektrolytem a separátor elektrod, to vše ovlivňuje výkon lithium-iontových baterií při nízkých teplotách. Kromě toho nelze ignorovat vliv vad materiálů a procesů na nízkoteplotní výkon baterií.
Shrnout
Pro zajištění nízkoteplotního výkonu lithium-iontových baterií je nutné provést následující:
(1) Vytvoření tenkého a hustého filmu SEI;
(2) Zajistěte, aby Li+ měl velký difúzní koeficient v aktivní látce;
(3) Elektrolyty mají vysokou iontovou vodivost při nízkých teplotách.
Kromě toho může výzkum také prozkoumat nové cesty a zaměřit se na jiný typ lithium-iontových baterií – všechny polovodičové lithium-iontové baterie. Ve srovnání s konvenčními lithium-iontovými bateriemi se očekává, že všechny polovodičové lithium-iontové baterie, zejména všechny polovodičové tenkovrstvé lithium-iontové baterie, zcela vyřeší degradaci kapacity a problémy s cyklickou bezpečností baterií používaných při nízkých teplotách.