Waarom wordt de capaciteit van de lithiumbatterij in de winter lager, eindelijk kan iemand het uitleggen!
Sinds lithium-ionbatterijen op de markt kwamen, zijn ze veel gebruikt vanwege hun voordelen van lange levensduur, grote specifieke capaciteit en geen geheugeneffect. Het gebruik van lithium-ionbatterijen bij lage temperaturen heeft problemen zoals een lage capaciteit, ernstige demping, slechte prestaties van de cyclussnelheid, duidelijke lithiumafzetting en onevenwichtige lithiumextractie. Met de voortdurende uitbreiding van toepassingsgebieden worden de beperkingen die worden veroorzaakt door de slechte prestaties bij lage temperaturen van lithium-ionbatterijen echter steeds duidelijker.
Volgens rapporten is de ontladingscapaciteit van lithium-ionbatterijen bij -20 °C slechts ongeveer 31,5% van die bij kamertemperatuur. De bedrijfstemperatuur van traditionele lithium-ion batterijen ligt tussen -20 en +55 °C. In de lucht- en ruimtevaart, militaire industrie, elektrische voertuigen, enz. is de batterij echter verplicht om normaal te werken bij -40 °C. Daarom is het van groot belang om de lage temperatuur eigenschappen van Li-ion batterijen te verbeteren.
Factoren die de prestaties bij lage temperaturen van Li-ion-batterijen beperken
In een omgeving met lage temperaturen neemt de viscositeit van het elektrolyt toe en stolt zelfs gedeeltelijk, wat resulteert in een afname van de geleidbaarheid van lithium-ionbatterijen. De compatibiliteit tussen de elektrolyt en de negatieve elektrode en de separator wordt slecht in een omgeving met lage temperaturen. De negatieve elektrode van lithium-ionbatterij heeft ernstige lithiumprecipitatie onder een omgeving met lage temperaturen, en het neergeslagen metaal lithium reageert met de elektrolyt en de productafzetting leidt tot een toename van de dikte van de vaste-elektrolytinterface (SEI). In een omgeving met lage temperaturen neemt het diffusiesysteem van Li-ionbatterijen in het actieve materiaal af en neemt de weerstand tegen ladingsoverdracht (Rct) aanzienlijk toe.
Discussie over factoren die van invloed zijn op de prestaties bij lage temperaturen van Li-ionbatterijen
Mening van deskundigen 1: De elektrolyt heeft de grootste impact op de prestaties bij lage temperaturen van lithium-ionbatterijen en de samenstelling en fysisch-chemische eigenschappen van de elektrolyt hebben een belangrijke invloed op de prestaties van de batterij bij lage temperaturen. De problemen waarmee de batterij bij lage temperatuur wordt geconfronteerd, zijn: de viscositeit van de elektrolyt zal toenemen, de ionengeleidingssnelheid zal langzamer worden, wat resulteert in de mismatch van de elektronenmigratiesnelheid van het externe circuit, dus de batterij zal ernstig gepolariseerd zijn en de laad- en ontlaadcapaciteit zal sterk afnemen. Vooral bij het opladen bij lage temperatuur vormen lithiumionen gemakkelijk lithium-dendrieten op het oppervlak van de negatieve elektrode, wat resulteert in batterijfalen.
De lage temperatuurprestaties van de elektrolyt hangen nauw samen met de grootte van de geleidbaarheid van de elektrolyt zelf. De elektrolyt met hoge geleidbaarheid geeft ionen snel door en kan bij lage temperatuur meer capaciteit uitoefenen. Hoe meer gedissocieerd het lithiumzout in de elektrolyt, hoe hoger het aantal migraties en hoe hoger de geleidbaarheid. Hoe hoger de elektrische geleidbaarheid, hoe sneller de ionengeleidingssnelheid, hoe minder polarisatie en hoe beter de prestaties van de batterij bij lage temperatuur. Daarom is een hogere elektrische geleidbaarheid een noodzakelijke voorwaarde om goede prestaties bij lage temperaturen van lithium-ionbatterijen te bereiken.
De geleidbaarheid van de elektrolyt is gerelateerd aan de samenstelling van de elektrolyt en het verminderen van de viscositeit van het oplosmiddel is een van de manieren om de geleidbaarheid van de elektrolyt te verbeteren. De goede vloeibaarheid van het oplosmiddel bij lage temperatuur is de garantie van ionentransport, en de vaste elektrolytfilm gevormd door de elektrolyt bij de negatieve elektrode bij lage temperatuur is ook de sleutel tot het beïnvloeden van de geleiding van lithiumionen, en RSEI is de belangrijkste impedantie van lithium-ionbatterijen in omgevingen met lage temperaturen.
Expert 2: De belangrijkste factor die de lage temperatuurprestaties van lithium-ionbatterijen beperkt, is de sterk verhoogde Li+ diffusieweerstand bij lage temperaturen, niet de SEI-film.
Lage temperatuur eigenschappen van kathode materialen voor lithium-ion batterijen
1. Lage temperatuur eigenschappen van gelaagde kathode materialen
De gelaagde structuur heeft niet alleen de onvergelijkbare snelheidsprestaties van eendimensionale lithium-iondiffusiekanalen, maar heeft ook de structurele stabiliteit van driedimensionale kanalen. Het is het vroegste commerciële kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen. De representatieve stoffen zijn LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 en Li(Ni, Co, Mn)O2 enzovoort.
Xie Xiaohua et al. namen LiCoO2/MCMB als onderzoeksobject en testten de laad-ontlaadeigenschappen bij lage temperaturen.
De resultaten laten zien dat met de daling van de temperatuur het afvoerplatform daalt van 3.762V (0°C) naar 3.207V (–30°C); de totale batterijcapaciteit neemt ook sterk af van 78,98 mA·h (0°C) naar 68,55mA·h (–30°C).
2. Lage temperatuur eigenschappen van spinel-gestructureerde kathode materialen
De spinelstructuur LiMn2O4 kathode materiaal heeft de voordelen van lage kosten en niet-toxiciteit omdat het geen Co-element bevat.
De valentievariabiliteit van Mn en het Jahn-Teller-effect van Mn3+ leiden echter tot de structurele instabiliteit en slechte reversibiliteit van deze component.
Peng Zhengshun et al. wezen erop dat verschillende bereidingsmethoden een grote invloed hebben op de elektrochemische prestaties van LiMn2O4 kathodematerialen. Neem Rct als voorbeeld: de Rct van LiMn2O4 gesynthetiseerd door hoge temperatuur vaste fase methode is aanzienlijk hoger dan die van sol-gel methode, en dit fenomeen is in de lithium-ion methode. De diffusiecoëfficiënt wordt ook weerspiegeld. De reden is dat verschillende synthesemethoden grote invloed hebben op de kristalliniteit en morfologie van de producten.
3. Lage temperatuurkenmerken van kathodematerialen van het fosfaatsysteem
Vanwege de uitstekende volumestabiliteit en veiligheid is LiFePO4, samen met ternaire materialen, het belangrijkste lichaam geworden van de huidige kathodematerialen voor vermogensbatterijen. De slechte lage temperatuurprestaties van lithium-ijzerfosfaat zijn voornamelijk te wijten aan het feit dat het materiaal zelf een isolator is, met een lage elektronische geleidbaarheid, slechte lithium-iondiffusiviteit en slechte geleidbaarheid bij lage temperatuur, wat de interne weerstand van de batterij verhoogt, die sterk wordt beïnvloed door polarisatie en het opladen en ontladen van de batterij belemmert. Daarom is de lage temperatuur Performance niet ideaal.
Bij het bestuderen van het laad-ontlaadgedrag van LiFePO4 bij lage temperatuur, ontdekten Gu Yijie et al. dat de coulombic-efficiëntie daalde van respectievelijk 100% bij 55 °C tot 96% bij 0 °C en 64% bij -20 °C; de ontladingsspanning daalde van 3.11V bij 55°C. Verlaag tot 2,62 V bij –20°C.
Xing et al. modificeerden LiFePO4 met nano-koolstof en ontdekten dat na het toevoegen van nano-koolstofgeleidend middel, de elektrochemische prestaties van LiFePO4 minder gevoelig waren voor temperatuur en de prestaties bij lage temperaturen werden verbeterd; de ontladingsspanning van gemodificeerde LiFePO4 steeg van 3,40 bij 25 °C V daalt tot 3,09 V bij –25 °C, een daling van slechts 9,12%; en de celefficiëntie bij -25 °C is 57,3%, wat hoger is dan 53,4% zonder nano-koolstofgeleidend middel.
De laatste tijd heeft LiMnPO4 veel belangstelling getrokken. Uit de studie bleek dat LiMnPO4 de voordelen heeft van een hoog potentieel (4,1 V), geen vervuiling, lage prijs en grote specifieke capaciteit (170 mAh / g). Vanwege de lagere ionische geleidbaarheid van LiMnPO4 dan LiFePO4, wordt Fe echter vaak gebruikt om Mn gedeeltelijk te vervangen om in de praktijk LiMn0.8Fe0.2PO4 solide oplossing te vormen.
Lage temperatuur eigenschappen van anode materialen voor lithium-ion batterijen
In vergelijking met het positieve elektrodemateriaal is de verslechtering bij lage temperatuur van het negatieve elektrodemateriaal van de lithium-ionbatterij ernstiger, voornamelijk om de volgende drie redenen:
Wanneer de batterij met een hoge snelheid bij lage temperatuur wordt opgeladen en ontladen, is de polarisatie van de batterij ernstig en wordt een grote hoeveelheid metaallithium afgezet op het oppervlak van de negatieve elektrode en heeft het reactieproduct van metaallithium en de elektrolyt over het algemeen geen geleidbaarheid; Vanuit het perspectief van de thermodynamica bevat de elektrolyt een grote hoeveelheid C-O, C- N etc.
De polaire groep kan reageren met het negatieve elektrodemateriaal en de gevormde SEI-film is gevoeliger voor lage temperaturen; · De koolstofnegatieve elektrode is moeilijk te intercaleren lithium bij lage temperatuur en er is asymmetrische lading en ontlading.
a98c6b55abdcd5adc3579beecae2cbd9.png
Onderzoek naar lage temperatuur elektrolyt
De elektrolyt speelt de rol van het transport van Li+ in lithium-ionbatterijen en de ionische geleidbaarheid en SEI-filmvormende eigenschappen hebben een aanzienlijke invloed op de prestaties van de batterij bij lage temperaturen. Er zijn drie belangrijke indicatoren voor het beoordelen van de voor- en nadelen van lage temperatuur elektrolyten: ionische geleidbaarheid, elektrochemisch venster en elektrodereactiviteit. Het niveau van deze drie indicatoren hangt in grote mate af van de samenstellende materialen: oplosmiddel, elektrolyt (lithiumzout) en additieven. Daarom is het onderzoek naar de lage temperatuurprestaties van elk deel van de elektrolyt van groot belang voor het begrijpen en verbeteren van de prestaties van de batterij bij lage temperaturen.
· Lage temperatuurkenmerken van EC-gebaseerde elektrolyten In vergelijking met ketencarbonaten hebben cyclische carbonaten een strakkere structuur, grotere werkkracht en een hoger smeltpunt en viscositeit. De grote polariteit die de ringstructuur met zich meebrengt, maakt echter dat deze vaak een grote diëlektrische constante heeft. De grote diëlektrische constante, hoge ionische geleidbaarheid en uitstekende filmvormende eigenschappen van EC-oplosmiddel voorkomen effectief het co-inserteren van oplosmiddelmoleculen, waardoor het onmisbaar is. Daarom zijn de meeste van de veelgebruikte lage temperatuur elektrolytsystemen gebaseerd op EC en vervolgens gemengd oplosmiddel met een klein molecuul met een laag smeltpunt. · Lithiumzout is een belangrijk onderdeel van elektrolyt. Lithiumzout in de elektrolyt kan niet alleen de ionische geleidbaarheid van de oplossing verbeteren, maar ook de diffusieafstand van Li+ in de oplossing verminderen. Over het algemeen geldt dat hoe groter de concentratie van Li+ in de oplossing, hoe groter de ionische geleidbaarheid. De concentratie van lithiumionen in de elektrolyt is echter niet lineair gerelateerd aan de concentratie lithiumzouten, maar is parabolisch. Dit komt omdat de concentratie van lithiumionen in het oplosmiddel afhankelijk is van de sterkte van de dissociatie en associatie van lithiumzouten in het oplosmiddel.
Onderzoek naar lage temperatuur elektrolyt
Naast de samenstelling van de batterij zelf, zullen procesfactoren in de werkelijke werking ook een grote invloed hebben op de prestaties van de batterij.
(1) Voorbereidingsproces. Yaqub et al. bestudeerden het effect van elektrodebelasting en laagdikte op de lage temperatuurprestaties van LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 / Graphite-batterijen en ontdekten dat in termen van capaciteitsbehoud, hoe kleiner de elektrodebelasting en hoe dunner de coatinglaag, hoe beter de prestaties bij lage temperaturen. .
(2) Staat van heffing en aanzuivering. Petzl et al. bestudeerden het effect van de laad-ontlaadtoestand bij lage temperatuur op de levensduur van de batterijcyclus en ontdekten dat wanneer de ontladingsdiepte groot is, dit een groter capaciteitsverlies zal veroorzaken en de levensduur van de cyclus zal verkorten.
(3) Andere factoren. Het oppervlak, de poriegrootte, de elektrodedichtheid, de bevochtigbaarheid van de elektrode en elektrolyt en de afscheider, enz., Hebben allemaal invloed op de prestaties bij lage temperaturen van lithium-ionbatterijen. Bovendien kan de invloed van materiaal- en procesdefecten op de lage temperatuurprestaties van de batterij niet worden genegeerd.
Samenvatten
Om de lage temperatuurprestaties van lithium-ionbatterijen te garanderen, moeten de volgende punten worden gedaan:
(1) vorm een dunne en dichte SEI-film;
(2) Zorg ervoor dat Li+ een grote diffusiecoëfficiënt in het actieve materiaal heeft;
(3) De elektrolyt heeft een hoge ionische geleidbaarheid bij lage temperatuur.
Daarnaast kan het onderzoek ook een andere manier vinden om te kijken naar een ander type lithium-ion batterij-all-solid-state lithium-ion batterij. In vergelijking met conventionele lithium-ionbatterijen wordt verwacht dat all-solid-state lithium-ionbatterijen, met name all-solid-state dunne-film lithium-ionbatterijen, het probleem van capaciteitsverval en cyclusveiligheid volledig oplossen wanneer batterijen bij lage temperaturen worden gebruikt.
