> Zprávy > Novinky z oboru

Proč se kapacita lithiové baterie v zimě snižuje

2024-01-02

Proč se kapacita lithiové baterie v zimě snižuje

Od vstupu na trh jsou lithium-iontové baterie široce používány díky svým výhodám, jako je dlouhá životnost, velká specifická kapacita a žádný paměťový efekt. Použití lithium-iontových baterií při nízkých teplotách má problémy, jako je nízká kapacita, silný útlum, špatná rychlost cyklu, zjevný vývoj lithia a nevyvážené vyjímání a vkládání lithia. S neustálým rozšiřováním aplikačních oblastí se však stále více objevují omezení, která přináší špatný výkon 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, je však vyžadováno, aby baterie mohla normálně fungovat při -40 ℃. Zlepšení nízkoteplotních vlastností lithium-iontových baterií má proto velký význam.

Faktory omezující nízkoteplotní výkon lithium-iontových baterií

V prostředí s nízkou teplotou se viskozita elektrolytu zvyšuje a dokonce částečně tuhne, což vede ke snížení vodivosti lithium-iontových baterií.
Kompatibilita mezi elektrolytem, zápornou elektrodou a separátorem se zhoršuje v prostředí s nízkou teplotou.
Na záporné elektrodě lithium-iontových baterií v prostředí s nízkou teplotou dochází k silnému srážení lithia a vysrážené kovové lithium reaguje s elektrolytem, což má za následek usazování jeho produktů a zvýšení tloušťky rozhraní pevného elektrolytu (SEI).
V prostředí s nízkou teplotou klesá difúzní systém lithium-iontových baterií v aktivním materiálu a výrazně se zvyšuje impedance přenosu náboje (Rct).

Zkoumání faktorů ovlivňujících nízkoteplotní výkon lithium-iontových baterií

Znalecký posudek 1: Elektrolyt má největší vliv na nízkoteplotní výkon lithium-iontových baterií a složení a fyzikálně-chemické vlastnosti elektrolytu mají důležitý vliv na nízkoteplotní výkon baterií. Problém, kterému čelí nízkoteplotní cyklování baterií, spočívá v tom, že se zvyšuje viskozita elektrolytu, zpomaluje se rychlost vedení iontů a rychlost migrace elektronů ve vnějším obvodu neodpovídá, což má za následek silnou polarizaci baterie a ostrý snížení kapacity nabíjení a vybíjení. Zejména při nabíjení při nízkých teplotách mohou ionty lithia snadno vytvářet lithiové dendrity na povrchu záporné elektrody, což vede k selhání baterie.

Nízkoteplotní výkon elektrolytu úzce souvisí s jeho vlastní vodivostí. Elektrolyty s vysokou vodivostí transportují ionty rychle a mohou mít větší kapacitu při nízkých teplotách. Čím více solí lithia disociuje v elektrolytu, tím větší je migrace a tím vyšší je vodivost. Čím vyšší je vodivost a čím rychlejší je rychlost vedení iontů, tím menší je přijatá polarizace a tím lepší je výkon baterie při nízkých teplotách. Proto je vyšší vodivost nezbytnou podmínkou pro dosažení dobrého nízkoteplotního výkonu lithium-iontových baterií.

Vodivost elektrolytu souvisí s jeho složením a snížení viskozity rozpouštědla je jedním ze způsobů, 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 spíše rychle rostoucí Li+difuzní impedance při nízkých teplotách než membrána SEI.

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 kladným elektrodovým materiálem pro lithium-iontové baterie. Mezi jeho zástupce patří LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 a Li (Ni, Co, Mn) O2.

Xie Xiaohua a kol. studoval LiCoO2/MCMB a testoval jeho nízkoteplotní nabíjecí a vybíjecí charakteristiky.

Výsledky ukázaly, že jak teplota klesala, plató výboje se snížilo 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 spinelových strukturovaných katodových materiálů

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 katodových materiálů fosfátového systému

LiFePO4 se spolu s ternárními materiály stal hlavním materiálem kladných elektrod pro napájecí baterie pro svou vynikající objemovou stabilitu a bezpečnost. Špatný výkon fosforečnanu lithného při nízkých teplotách je způsoben hlavně jeho materiálem, který je izolantem, nízkou elektronovou vodivostí, špatnou difúzí lithných iontů a špatnou vodivostí při nízkých teplotách, což zvyšuje vnitřní odpor baterie a je značně ovlivněno polarizací. , které brání nabíjení a vybíjení baterie, což má za následek neuspokojivý výkon při nízkých teplotách.

Při studiu chování nabíjení a vybíjení LiFePO4 při nízkých teplotách Gu Yijie et al. zjistili, že jeho Coulombická účinnost klesla ze 100 % při 55 ℃ na 96 % při 0 ℃ a 64 % při -20 ℃; Vybíjecí napětí klesá z 3,11 V při 55 ℃ na 2,62 V při -20 ℃.

Xing a kol. modifikovali LiFePO4 pomocí nanokarbonu a zjistili, že přidání nanokarbonových vodivých činidel snížilo citlivost elektrochemického výkonu LiFePO4 na teplotu a zlepšilo jeho chování 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 nanokarbonových 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). Vzhledem k nižší iontové vodivosti LiMnPO4 ve srovnání s LiFePO4 se však v praxi často používá Fe k částečnému nahrazení Mn za vzniku pevných roztoků LiMn0,8Fe0,2PO4.

Nízkoteplotní charakteristiky materiálů záporných elektrod pro lithium-iontové baterie

Ve srovnání s materiály s kladnými elektrodami je jev nízkoteplotní degradace materiálů záporných elektrod v lithium-iontových bateriích závažnější, a to zejména z následujících tří důvodů:

Během nízkoteplotního vysokorychlostního nabíjení a vybíjení je polarizace baterie vážná a na povrchu záporné elektrody se ukládá velké množství kovového lithia a reakční produkty mezi kovem lithia a elektrolytem obecně nemají vodivost;
Z termodynamického hlediska obsahuje elektrolyt velké množství polárních skupin, jako jsou C-O a C-N, které mohou reagovat s negativními elektrodovými materiály, což má za následek SEI filmy, které jsou náchylnější k účinkům nízké teploty;
Je obtížné začlenit lithium do uhlíkových záporných elektrod při nízkých teplotách, což má za následek asymetrické nabíjení a vybíjení.

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 nízkoteplotních elektrolytů: 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.

Elektrolyty na bázi EC mají ve srovnání s řetězovými uhličitany kompaktní strukturu, vysokou interakční sílu a vyšší bod tání a viskozitu. Velká polarita způsobená kruhovou strukturou však často vede k vysoké dielektrické konstantě. Vysoká dielektrická konstanta, vysoká iontová vodivost a vynikající filmotvorný výkon rozpouštědel EC účinně brání společnému vkládání molekul rozpouštědla, což je činí nepostradatelnými. Proto jsou nejběžněji používané nízkoteplotní elektrolytové systémy založeny na EC a smíchané s nízkomolekulovými rozpouštědly s nízkou teplotou tání.
Lithné soli jsou důležitou součástí elektrolytů. Lithné soli v elektrolytech mohou nejen zlepšit iontovou vodivost roztoku, ale také snížit difúzní vzdálenost Li+ v roztoku. Obecně řečeno, čím vyšší je koncentrace Li+ v roztoku, tím vyšší je jeho iontová vodivost. Koncentrace lithných iontů v elektrolytu však není lineárně korelovaná s koncentrací lithných solí, ale spíše vykazuje parabolický tvar. Je to proto, že koncentrace lithných iontů v rozpouštědle závisí na síle disociace a asociace lithných solí v rozpouštědle.

Výzkum nízkoteplotních elektrolytů

Kromě samotného složení baterie mohou mít na výkon baterie významný vliv také procesní faktory v praktickém provozu.

(1) Proces přípravy. Yaqub a kol. studovali vliv zatížení elektrod a tloušťky povlaku na nízkoteplotní výkon LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/grafitových baterií a zjistili, že z hlediska zachování kapacity platí, že čím menší je zatížení elektrody a tenčí vrstva povlaku, tím lepší je nízkoteplotní výkon.

(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 – to vše ovlivňuje výkon lithium-iontových baterií při nízkých teplotách. Kromě toho nelze ignorovat vliv vad materiálu a procesu na nízkoteplotní výkon baterií.

Shrnout

Pro zajištění nízkoteplotního výkonu lithium-iontových baterií je třeba dobře provést následující body:

(1) Vytvoření tenkého a hustého filmu SEI;

(2) Ujistěte se, že Li+ má vysoký difúzní koeficient v aktivní látce;

(3) Elektrolyty mají vysokou iontovou vodivost při nízkých teplotách.

Kromě toho může výzkum zaujmout jiný přístup 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 problémy s degradací kapacity a cyklickou bezpečností baterií používaných při nízkých teplotách.

Předchozí:Funkce a řešení problémů povlakování keramické hrany AT9 na kladném pólu lithiové baterie

další:Technologie rychlého nabíjení a systém správy baterií pro lithiové baterie