Hvorfor blir litiumbatteriets kapasitet lavere om vinteren, endelig kan noen forklare det!
Siden litium-ion-batterier kom på markedet, har de blitt mye brukt på grunn av fordelene med lang levetid, stor spesifikk kapasitet og ingen minneeffekt. Lavtemperaturbruk av litium-ion-batterier har problemer som lav kapasitet, alvorlig demping, dårlig syklushastighet, tydelig litiumavsetning og ubalansert litiumutvinning. Med den kontinuerlige utvidelsen av applikasjonsfelt blir imidlertid begrensningene forårsaket av den dårlige lav-temperaturytelsen til litium-ion-batterier mer og mer åpenbare.
Ifølge rapporter er utladingskapasiteten til litium-ion-batterier ved -20 grader bare omtrent 31,5 prosent av den ved romtemperatur. Driftstemperaturen til tradisjonelle litium-ionbatterier er mellom -20 og pluss 55 grader. Men innen romfart, militær industri, elektriske kjøretøy, etc., må batteriet fungere normalt ved -40 grader. Derfor er det av stor betydning å forbedre lavtemperaturegenskapene til Li-ion-batterier.
Faktorer som begrenser lavtemperaturytelsen til Li{0}ion-batterier
I et miljø med lav temperatur øker viskositeten til elektrolytten og stivner til og med delvis, noe som resulterer i en reduksjon i ledningsevnen til litium-ionbatterier. Kompatibiliteten mellom elektrolytten og den negative elektroden og separatoren blir dårlig i et miljø med lav temperatur. Den negative elektroden til litium-ionbatteri har alvorlig litiumutfelling under lavtemperaturmiljø, og det utfelte metallet litium reagerer med elektrolytten, og produktavsetningen fører til en økning i tykkelsen på faststoffet- elektrolyttgrensesnitt (SEI). I miljøer med lav temperatur reduseres diffusjonssystemet til Li-ion-batterier i det aktive materialet, og ladeoverføringsmotstanden (Rct) øker betydelig.
Diskusjon om faktorer som påvirker lavtemperaturytelsen til Li-ion-batterier
Ekspertuttalelse 1: Elektrolytten har størst innvirkning på lav-temperaturytelsen til litium-ion-batterier, og sammensetningen og de fysisk-kjemiske egenskapene til elektrolytten har en viktig innvirkning på den lave{{3} }temperaturytelsen til batteriet. Problemene som batteriet står overfor ved lav temperatur er: viskositeten til elektrolytten vil øke, ioneledningshastigheten vil bli langsommere, noe som resulterer i misforhold mellom elektronmigrasjonshastigheten til den eksterne kretsen, slik at batteriet vil bli kraftig polarisert, og lade- og utladingskapasiteten vil reduseres kraftig. Spesielt ved lading ved lav temperatur danner litiumioner lett litiumdendritter på overflaten av den negative elektroden, noe som resulterer i batterisvikt.
Lavtemperaturytelsen til elektrolytten er nært knyttet til størrelsen på ledningsevnen til selve elektrolytten. Elektrolytten med høy ledningsevne overfører ioner raskt og kan utøve mer kapasitet ved lav temperatur. Jo mer dissosiert litiumsaltet i elektrolytten er, jo høyere er antall migrasjoner og jo høyere ledningsevne. Jo høyere elektrisk ledningsevne, jo raskere ioneledningshastighet, jo mindre polarisering, og jo bedre ytelse har batteriet ved lav temperatur. Derfor er høyere elektrisk ledningsevne en nødvendig betingelse for å oppnå god lav-temperaturytelse for litium-ion-batterier.
Elektrolyttens ledningsevne er relatert til sammensetningen av elektrolytten, og å redusere løsningsmidlets viskositet er en av måtene å forbedre ledningsevnen til elektrolytten på. Den gode fluiditeten til løsningsmidlet ved lav temperatur er garantien for ionetransport, og den faste elektrolyttfilmen som dannes av elektrolytten ved den negative elektroden ved lav temperatur er også nøkkelen til å påvirke ledningen av litiumioner, og RSEI er hovedimpedansen av litiumion-batterier i miljøer med lav temperatur.
Ekspert 2: Hovedfaktoren som begrenser lavtemperaturytelsen til litium-ion-batterier er den kraftig økte Li pluss diffusjonsmotstanden ved lave temperaturer, ikke SEI-filmen.
Lavtemperaturegenskaper til katodematerialer for litiumionbatterier
1. Lavtemperaturegenskaper til lagdelte katodematerialer
Den lagdelte strukturen har ikke bare den uforlignelige hastighetsytelsen til en-dimensjonale litiumionediffusjonskanaler, men har også den strukturelle stabiliteten til tre-dimensjonale kanaler. Det er det tidligste kommersielle katodematerialet for litiumionbatterier. Dens representative stoffer er LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 og Li(Ni, Co, Mn)O2 og så videre.
Xie Xiaohua et al. tok LiCoO2/MCMB som forskningsobjekt og testet dens lave-temperaturladning-utladningsegenskaper.
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. Lav-temperaturegenskaper for spinell-strukturerte katodematerialer
Spinellstrukturen LiMn2O4 katodemateriale har fordelene med lav pris og ikke--toksisitet fordi det ikke inneholder Co-element.
Valensvariabiliteten til Mn og Jahn-Teller-effekten til Mn3 pluss fører imidlertid til den strukturelle ustabiliteten og dårlig reversibilitet til denne komponenten.
Peng Zhengshun et al. påpekte at ulike fremstillingsmetoder har stor innflytelse på den elektrokjemiske ytelsen til LiMn2O4 katodematerialer. Tar Rct som et eksempel: Rct av LiMn2O4 syntetisert ved høytemperatur fast-fasemetoden er betydelig høyere enn for sol-gelmetoden, og dette fenomenet er i litiumionmetoden. Diffusjonskoeffisienten gjenspeiles også. Årsaken er at ulike syntesemetoder har stor innflytelse på produktenes krystallinitet og morfologi.
3. Lavtemperaturegenskaper til katodematerialer i fosfatsystemet
På grunn av sin utmerkede volumstabilitet og sikkerhet, har LiFePO4, sammen med ternære materialer, blitt hoveddelen av nåværende strømbatterikatodematerialer. Den dårlige lavtemperaturytelsen til litiumjernfosfat skyldes hovedsakelig det faktum at selve materialet er en isolator, med lav elektronisk ledningsevne, dårlig litiumionediffusivitet og dårlig ledningsevne ved lav temperatur, noe som øker den interne motstanden til batteriet, som er sterkt påvirket av polarisering og hindrer lading og utlading av batteriet. Derfor er ytelsen ved lav temperatur ikke ideell.
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.
Den siste tiden har LiMnPO4 vakt stor interesse. Studien fant 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 til å delvis erstatte Mn for å danne LiMn0.8Fe0.2PO4 fast løsning i praksis.
Lavtemperaturegenskaper til anodematerialer for litiumionbatterier
Sammenlignet med det positive elektrodematerialet, er lavtemperaturforringelsen av det negative elektrodematerialet til litiumionbatteriet mer alvorlig, hovedsakelig av følgende tre grunner:
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
Forskning på lavtemperaturelektrolytt
Elektrolytten spiller rollen som transport av Li pluss i litium-ionbatterier, og dens ioniske ledningsevne og SEI-filmdannende egenskaper har en betydelig innvirkning på lav-temperaturytelsen til batteriet . Det er tre hovedindikatorer for å bedømme fordeler og ulemper med lav-temperaturelektrolytter: ionisk ledningsevne, elektrokjemisk vindu og elektrodereaktivitet. Nivået på disse tre indikatorene avhenger i stor grad av dets bestanddeler: løsemiddel, elektrolytt (litiumsalt) og tilsetningsstoffer. Derfor er forskningen på lavtemperaturytelsen til hver del av elektrolytten av stor betydning for å forstå og forbedre lavtemperaturytelsen til batteriet.
·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.
Forskning på lavtemperaturelektrolytt
I tillegg til selve batteriets sammensetning, vil også prosessfaktorer i faktisk drift ha stor innvirkning på ytelsen til batteriet.
(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, mindre elektrodebelastningen og jo tynnere belegglaget er, jo bedre lavtemperaturytelse. .
(2) Ladnings- og utladningstilstand. Petzl et al. studerte effekten av lav-temperaturlading-utladningstilstand på batteriets levetid, og fant ut at når utladningsdybden er stor, vil det føre til større kapasitetstap og redusere sykluslevetiden.
(3) Andre faktorer. Overflatearealet, porestørrelsen, elektrodetettheten, fuktbarheten til elektroden og elektrolytten, og separatoren, etc., påvirker alle lav-temperaturytelsen til litium-ion-batterier. I tillegg kan påvirkningen av material- og prosessfeil på lavtemperaturytelsen til batteriet ikke ignoreres.
Oppsummer
For å sikre lavtemperaturytelsen til litium-ion-batterier, må følgende punkter gjøres:
(1) Form en tynn og tett SEI-film;
(2) Sørg for at Li pluss har en stor diffusjonskoeffisient i det aktive materialet;
(3) Elektrolytten har høy ionisk ledningsevne ved lav temperatur.
I tillegg kan forskningen også finne en annen måte å se på en annen type litium-ionbatteri-helt-solid-litium-ionbatteri . Sammenlignet med konvensjonelle litium-ion-batterier, alle-solid-litium-ion-batterier, spesielt alle-solid-tynne- {11}}filmlitium-ionbatterier forventes å fullstendig løse problemet med kapasitetsreduksjon og syklussikkerhet når batterier brukes ved lave temperaturer.
