Hvorfor falder kapaciteten af ​​lithium-batterier om vinteren? Endelig kan nogen forklare!

Hvorfor falder kapaciteten af ​​lithium-batterier om vinteren? Endelig kan nogen forklare!

Siden de kom på markedet, er lithium-ion-batterier blevet meget brugt på grund af deres fordele som lang levetid, stor specifik kapacitet og ingen hukommelseseffekt. Lithium-ion-batterier, der bruges ved lave temperaturer, har problemer såsom lav kapacitet, alvorlig dæmpning, dårlig cykling, tydelig lithiumudvikling og ubalanceret lithiumfjernelse og -indsættelse. Men med den kontinuerlige udvidelse af anvendelsesområder bliver begrænsningerne forårsaget af lithium-ion-batteriers dårlige ydeevne ved lav temperatur stadig mere tydelige.

Ifølge rapporter er afladningskapaciteten af ​​lithium-ion-batterier ved -20 ℃ kun omkring 31,5% af den ved stuetemperatur. Traditionelle lithium-ion-batterier fungerer ved temperaturer mellem -20~+55 ℃. Men på områder som rumfart, militær og elektriske køretøjer kræves batterier for at fungere normalt ved -40 ℃. Derfor er det af stor betydning at forbedre lavtemperaturegenskaberne for lithium-ion-batterier.

Faktorer, der begrænser lithium-ion-batteriers ydeevne ved lav temperatur

• I miljøer med lav temperatur øges elektrolyttens viskositet og størkner endda delvist, hvilket fører til et fald i ledningsevnen af ​​lithium-ion-batterier.
• Kompatibiliteten mellem elektrolyt, negativ elektrode og separator forringes i miljøer med lav temperatur.
• Under lave temperaturforhold oplever den negative elektrode på lithium-ion-batterier alvorlig lithiumudfældning, og det udfældede metallithium reagerer med elektrolytten, hvilket resulterer i aflejring af produkter, der øger tykkelsen af ​​faststofelektrolytgrænsefladen (SEI).
• I miljøer med lav temperatur falder diffusionssystemet inde i det aktive materiale i lithium-ion-batterier, og ladningsoverførselsimpedansen (Rct) øges betydeligt.

Diskussion om faktorer, der påvirker lavtemperaturydelsen af ​​lithium-ion-batterier

Ekspertsynspunkt 1: Elektrolytten har den største indflydelse på lavtemperatur-ydelsen af ​​lithium-ion-batterier, og elektrolyttens sammensætning og fysisk-kemiske egenskaber har en væsentlig indflydelse på lavtemperatur-ydelsen af ​​batteriet. Problemet med cykling af batterier ved lave temperaturer er, at elektrolyttens viskositet vil stige, ionledningshastigheden vil sænkes, hvilket forårsager et misforhold i elektronmigreringshastigheden af ​​det eksterne kredsløb, hvilket resulterer i alvorlig polarisering af batteriet og et kraftigt fald i ladningsafladningskapaciteten. Især ved opladning ved lave temperaturer kan lithiumioner nemt danne lithiumdendritter på den negative elektrodeoverflade, hvilket fører til batterifejl.

Elektrolytters ydeevne ved lav temperatur er tæt forbundet med selve elektrolyttens ledningsevne. Elektrolytter med høj ledningsevne transporterer ioner hurtigt og kan udøve mere kapacitet ved lave temperaturer. Jo flere lithiumsalte i elektrolytten dissocierer, jo mere migrerer de og jo højere er deres ledningsevne. Jo højere ledningsevne og jo hurtigere ionledningshastighed, jo mindre polarisering, og jo bedre ydeevne har batteriet ved lave temperaturer. Derfor er høj ledningsevne en nødvendig betingelse for at opnå god ydeevne ved lav temperatur af lithium-ion-batterier.

Elektrolyttens ledningsevne er relateret til dens sammensætning, og reduktion af opløsningsmidlets viskositet er en af ​​måderne til at forbedre elektrolyttens ledningsevne. Opløsningsmidlernes gode flydeevne ved lave temperaturer er en garanti for iontransport, og den faste elektrolytfilm, som dannes af elektrolytten på den negative elektrode ved lave temperaturer, er også en nøglefaktor, der påvirker lithium-ion-ledning, og RSEI er lithium-impedansens hovedimpedans. ion-batterier i miljøer med lav temperatur.

Ekspert 2: Den vigtigste faktor, der begrænser lavtemperaturydelsen af ​​lithium-ion-batterier, er den hurtigt stigende Li+diffusionsimpedans ved lave temperaturer, snarere end SEI-membraner.

Lavtemperaturegenskaber for positive elektrodematerialer til lithium-ion-batterier

1. Lavtemperaturegenskaber for lagdelte positive elektrodematerialer

Lagdelt struktur, med uovertruffen hastighedsydelse sammenlignet med endimensionelle lithium-ion-diffusionskanaler og strukturel stabilitet af tredimensionelle kanaler, er det tidligste kommercielt tilgængelige katodemateriale til lithium-ion-batterier. Dets repræsentative stoffer omfatter LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2 og Li (Ni, Co, Mn) O2.
Xie Xiaohua et al. testede lavtemperatur-opladnings- og afladningsegenskaberne for LiCoO2/MCMB som forskningsobjekt.
Resultaterne viser, at når temperaturen falder, falder udledningsplateauet fra 3,762V (0 ℃) til 3,207 V (-30 ℃); Den samlede batterikapacitet er også faldet kraftigt fra 78,98mA · h (0 ℃) til 68,55 mA · h (-30 ℃).

2. Lav temperatur egenskaber af spinel struktur positive elektrode materialer

Det spinelstrukturerede LiMn2O4 katodemateriale har fordelene ved lave omkostninger og ikke-toksicitet på grund af dets fravær af Co-element.
Imidlertid resulterer de variable valenstilstande af Mn og Jahn Teller-effekten af ​​Mn3+ i strukturel ustabilitet og dårlig reversibilitet af denne komponent.
Peng Zhengshun et al. påpeget, at forskellige fremstillingsmetoder har stor indflydelse på den elektrokemiske ydeevne af LiMn2O4 katodematerialer. Tag Rct som et eksempel: Rct af LiMn2O4 syntetiseret ved højtemperaturfastfasemetoden er betydeligt højere end det syntetiseret ved solgelmetoden, og dette fænomen afspejles også i lithiumiondiffusionskoefficienten. Hovedårsagen til dette er, at forskellige syntesemetoder har en væsentlig indflydelse på produkternes krystallinitet og morfologi.

3. Lavtemperaturegenskaber for positive elektrodematerialer i fosfatsystemet

LiFePO4 er sammen med ternære materialer blevet det vigtigste katodemateriale til strømbatterier på grund af dets fremragende volumenstabilitet og sikkerhed. Lithiumjernfosfats dårlige ydeevne ved lav temperatur skyldes hovedsagelig, at dets materiale i sig selv er en isolator med lav elektronisk ledningsevne, dårlig lithiumiondiffusion og dårlig ledningsevne ved lav temperatur, hvilket øger batteriets indre modstand, i høj grad påvirker polariseringen, og forhindrer opladning og afladning af batteriet. Derfor er ydeevnen ved lav temperatur ikke ideel.
Gu Yijie et al. fandt, at Coulombic-effektiviteten af ​​LiFePO4 faldt fra 100 % ved 55 ℃ til 96 % ved henholdsvis 0 ℃ og 64 % ved -20 ℃, når man studerede dets ladningsudladningsadfærd ved lave temperaturer; Afladningsspændingen falder fra 3,11 V ved 55 ℃ til 2,62 V ved -20 ℃.
Xing et al. brugte nano-carbon til at modificere LiFePO4 og fandt ud af, at tilsætning af nano-carbon-ledende midler reducerede følsomheden af ​​LiFePO4's elektrokemiske ydeevne over for temperatur og forbedrede dens ydeevne ved lav temperatur; Udladningsspændingen af ​​modificeret LiFePO4 faldt fra 3,40V ved 25 ℃ til 3,09 V ved -25 ℃, med et fald på kun 9,12 %; Og dens batterieffektivitet er 57,3 % ved -25 ℃, højere end 53,4 % uden nano-kulstofledende midler.
For nylig har LiMnPO4 vakt stor interesse blandt folk. Forskning har fundet ud af, at LiMnPO4 har fordele såsom højt potentiale (4,1V), ingen forurening, lav pris og stor specifik kapacitet (170mAh/g). Men fordi LiMnPO4 har lavere ionkonduktivitet end LiFePO4, bruges det ofte i praksis til delvist at erstatte Mn med Fe for at danne LiMn0.8Fe0.2PO4 Fast opløsning.

Lavtemperaturegenskaber for negative elektrodematerialer til lithium-ion-batterier

Sammenlignet med positive elektrodematerialer er lavtemperaturforringelsen af ​​negative elektrodematerialer i lithium-ion-batterier mere alvorlig, hovedsagelig på grund af følgende tre årsager:

• Under lav temperatur og høj hastighed opladning og afladning er batteripolariseringen alvorlig, og en stor mængde lithiummetalaflejringer på den negative elektrodeoverflade, og reaktionsprodukterne mellem lithiummetal og elektrolyt har generelt ikke ledningsevne;
• Fra et termodynamisk perspektiv indeholder elektrolytten et stort antal polære grupper såsom C-O og C-N, som kan reagere med negative elektrodematerialer, hvilket resulterer i SEI-film, der er mere modtagelige for lave temperaturer;
• Det er vanskeligt at indlejre lithium i kulstofnegative elektroder ved lave temperaturer, hvilket resulterer i asymmetrisk opladning og afladning.

Forskning i lavtemperaturelektrolytter

Elektrolyt spiller en rolle i transmission af Li+in lithium-ion-batterier, og dens ionledningsevne og SEI-filmdannende ydeevne har en væsentlig indflydelse på batteriets ydeevne ved lav temperatur. Der er tre hovedindikatorer til at bedømme kvaliteten af ​​lavtemperaturelektrolyt: ionledningsevne, elektrokemisk vindue og elektrodereaktionsaktivitet. Niveauet af disse tre indikatorer afhænger i vid udstrækning af deres bestanddele: opløsningsmidler, elektrolytter (lithiumsalte) og tilsætningsstoffer. Derfor er undersøgelsen af ​​lavtemperaturydelsen af ​​forskellige dele af elektrolytten af ​​stor betydning for forståelsen og forbedringen af ​​batteriernes lavtemperaturydelse.

• Sammenlignet med kædecarbonater har EC-baserede elektrolytter en kompakt struktur, høj kraft og højt smeltepunkt og viskositet. Imidlertid fører den store polaritet forårsaget af den cirkulære struktur ofte til en stor dielektrisk konstant. Den høje dielektriske konstant, høje ionkonduktivitet og fremragende filmdannende ydeevne af EC opløsningsmidler forhindrer effektivt samindsættelse af opløsningsmiddelmolekyler, hvilket gør dem uundværlige. Derfor er de mest almindeligt anvendte lavtemperaturelektrolytsystemer baseret på EC og blandet med lavtsmeltende små molekyle opløsningsmidler.
• 
  
• Lithiumsalte er en vigtig bestanddel af elektrolytter. Lithiumsalte i elektrolytter kan ikke kun forbedre opløsningens ionledningsevne, men også reducere diffusionsafstanden af ​​Li+ i opløsningen. Generelt gælder det, at jo højere koncentrationen af ​​Li+ i en opløsning er, jo større er dens ioniske ledningsevne. Koncentrationen af ​​lithiumioner i elektrolytten er dog ikke lineært korreleret med koncentrationen af ​​lithiumsalte, men snarere i en parabolsk form. Dette skyldes, at koncentrationen af ​​lithiumioner i opløsningsmidlet afhænger af styrken af ​​dissociationen og associationen af ​​lithiumsalte i opløsningsmidlet.

Udover selve batterisammensætningen kan procesfaktorer i praktisk drift også have en væsentlig indflydelse på batteriets ydeevne.

(1) Forberedelsesproces. Yaqub et al. undersøgte virkningerne af elektrodebelastning og belægningstykkelse på lavtemperaturydelsen af ​​LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite-batterier og fandt ud af, at med hensyn til kapacitetsretention, jo mindre elektrodebelastningen er, jo tyndere er belægningslaget, og jo bedre dens ydeevne ved lav temperatur.

(2) Opladnings- og afladningsstatus. Petzl et al. undersøgte effekten af ​​lavtemperatur-opladnings- og afladningsforhold på batteriernes cykluslevetid og fandt ud af, at når afladningsdybden er stor, vil det forårsage betydeligt kapacitetstab og reducere cykluslevetiden.

(3) Andre faktorer. Overfladearealet, porestørrelsen, elektrodedensiteten, fugtbarheden mellem elektrode og elektrolyt og elektrodernes separator påvirker alle lithium-ion-batteriers ydeevne ved lav temperatur. Derudover kan indvirkningen af ​​defekter i materialer og processer på batteriernes ydeevne ved lav temperatur ikke ignoreres.

Sammenfatte

For at sikre lavtemperaturydelsen af ​​lithium-ion-batterier er det nødvendigt at gøre følgende:

(1) Dannelse af en tynd og tæt SEI-film;

(2) Sikre, at Li+ har en stor diffusionskoefficient i det aktive stof;

(3) Elektrolytter har høj ionisk ledningsevne ved lave temperaturer.

Derudover kan forskning også udforske nye veje og fokusere på en anden type lithium-ion-batterier - alle solid-state lithium-ion-batterier. Sammenlignet med konventionelle lithium-ion-batterier forventes alle solid-state lithium-ion-batterier, især alle solid-state tyndfilm lithium-ion-batterier, fuldstændigt at løse kapacitetsnedbrydningen og cyklussikkerhedsproblemerne for batterier, der bruges ved lave temperaturer.