Niyə qışda litium batareyalarının tutumu azalır? Nəhayət, kimsə izah edə bilər!

Niyə qışda litium batareyalarının tutumu azalır? Nəhayət, kimsə izah edə bilər!

Litium-ion batareyaları bazara çıxdıqdan sonra uzun ömür müddəti, böyük xüsusi tutum və yaddaş effektinin olmaması kimi üstünlüklərinə görə geniş istifadə olunur. Aşağı temperaturda istifadə olunan litium-ion batareyalarında aşağı tutum, ciddi zəifləmə, zəif velosiped performansı, aşkar litium təkamülü və balanssız litiumun çıxarılması və daxil edilməsi kimi problemlər var. Bununla belə, tətbiq sahələrinin davamlı genişlənməsi ilə litium-ion batareyalarının aşağı temperaturda zəif performansının səbəb olduğu məhdudiyyətlər getdikcə daha aydın görünür.

Hesabatlara görə, litium-ion batareyaların -20 ℃-də boşalma qabiliyyəti otaq temperaturunda olanın yalnız 31,5%-ni təşkil edir. Ənənəvi litium-ion batareyalar -20~+55 ℃ temperaturda işləyir. Bununla belə, aerokosmik, hərbi və elektrik nəqliyyat vasitələri kimi sahələrdə batareyaların -40 ℃ temperaturda normal işləməsi tələb olunur. Buna görə də, litium-ion batareyaların aşağı temperatur xüsusiyyətlərinin yaxşılaşdırılması böyük əhəmiyyət kəsb edir.

Litium-ion batareyalarının aşağı temperatur performansını məhdudlaşdıran amillər

• Aşağı temperaturlu mühitlərdə elektrolitin viskozitesi artır və hətta qismən bərkiyir, bu da litium-ion batareyalarının keçiriciliyinin azalmasına səbəb olur.
• Elektrolit, mənfi elektrod və ayırıcı arasında uyğunluq aşağı temperaturlu mühitlərdə pisləşir.
• Aşağı temperatur şəraitində, litium-ion batareyalarının mənfi elektrodu güclü litium yağıntısını yaşayır və çökmüş metal litium elektrolitlə reaksiya verir, nəticədə bərk elektrolit interfeysinin (SEI) qalınlığını artıran məhsulların çökməsi ilə nəticələnir.
• Aşağı temperaturlu mühitlərdə litium-ion batareyalarının aktiv materialının içərisində diffuziya sistemi azalır və yük ötürmə empedansı (Rct) əhəmiyyətli dərəcədə artır.

Litium-ion batareyalarının aşağı temperatur performansına təsir edən amillərin müzakirəsi

Mütəxəssis baxışı 1: Elektrolit litium-ion batareyalarının aşağı temperatur performansına ən çox təsir göstərir və elektrolitin tərkibi və fiziki-kimyəvi xüsusiyyətləri batareyanın aşağı temperatur performansına əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Aşağı temperaturda batareyaların dövriyyəsi zamanı qarşılaşılan problem elektrolitin özlülüyünün artması, ion keçirmə sürətinin yavaşlaması, xarici dövrənin elektron miqrasiya sürətində uyğunsuzluğa səbəb olması, nəticədə batareyanın ciddi polarizasiyası və yük boşaltma qabiliyyətinin kəskin azalması. Xüsusilə aşağı temperaturda şarj edildikdə, litium ionları mənfi elektrod səthində asanlıqla litium dendritləri əmələ gətirərək batareyanın sıradan çıxmasına səbəb ola bilər.

Elektrolitlərin aşağı temperaturda performansı elektrolitin özünün keçiriciliyi ilə sıx bağlıdır. Yüksək keçiriciliyə malik elektrolitlər ionları tez nəql edir və aşağı temperaturda daha çox tutum göstərə bilirlər. Elektrolitdə nə qədər çox litium duzları dissosiasiya olunursa, bir o qədər çox miqrasiya edir və keçiriciliyi bir o qədər yüksək olur. Keçiricilik nə qədər yüksək olarsa və ion keçirmə sürəti nə qədər tez olarsa, qütbləşmə bir o qədər kiçikdir və aşağı temperaturda batareyanın performansı bir o qədər yaxşı olar. Buna görə yüksək keçiricilik litium-ion batareyalarının aşağı temperaturda yaxşı işləməsinə nail olmaq üçün zəruri şərtdir.

Elektrolitin keçiriciliyi onun tərkibi ilə bağlıdır və həlledicinin özlülüyünün azaldılması elektrolitin keçiriciliyini yaxşılaşdıran yollardan biridir. Aşağı temperaturda həlledicilərin yaxşı axıcılığı ionların daşınması üçün zəmanətdir və aşağı temperaturda mənfi elektrodda elektrolit tərəfindən əmələ gələn bərk elektrolit filmi də litium ionunun keçiriciliyinə təsir edən əsas amildir və RSEI litiumun əsas empedansıdır. aşağı temperaturlu mühitlərdə ion batareyaları.

Mütəxəssis 2: Litium-ion batareyalarının aşağı temperatur performansını məhdudlaşdıran əsas amil SEI membranları deyil, aşağı temperaturda sürətlə artan Li+diffuziya empedansıdır.

Litium-ion batareyaları üçün müsbət elektrod materiallarının aşağı temperatur xüsusiyyətləri

1. Laylı müsbət elektrod materiallarının aşağı temperatur xüsusiyyətləri

Birölçülü litium-ion diffuziya kanalları ilə müqayisədə misilsiz sürət performansı və üçölçülü kanalların struktur sabitliyi ilə laylı struktur, litium-ion batareyaları üçün kommersiya baxımından ən erkən mövcud katod materialıdır. Onun nümayəndəsi maddələrinə LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2 və Li (Ni, Co, Mn) O2 daxildir.
Xie Xiaohua və başqaları. tədqiqat obyekti kimi LiCoO2/MCMB-nin aşağı temperaturda yükləmə və boşaltma xüsusiyyətlərini sınaqdan keçirmişdir.
Nəticələr göstərir ki, temperatur azaldıqca axıdma platosu 3,762V (0 ℃)-dən 3,207V (-30 ℃)-ə qədər azalır; Ümumi batareya tutumu da 78,98 mA · saatdan (0 ℃) 68,55 mA · saata (-30 ℃) qədər kəskin şəkildə azalıb.

2. Şpinel strukturunun müsbət elektrod materiallarının aşağı temperatur xüsusiyyətləri

Spinel strukturlu LiMn2O4 katod materialı Co elementinin olmaması səbəbindən aşağı qiymət və qeyri-toksiklik üstünlüklərinə malikdir.
Bununla belə, Mn-nin dəyişən valentlik halları və Mn3+-ın Jahn Teller effekti bu komponentin struktur qeyri-sabitliyi və zəif geri dönmə qabiliyyəti ilə nəticələnir.
Peng Zhengshun et al. müxtəlif hazırlıq üsullarının LiMn2O4 katod materiallarının elektrokimyəvi göstəricilərinə böyük təsir göstərdiyini qeyd etdi. Nümunə olaraq Rct-i götürün: yüksək temperaturda bərk faza üsulu ilə sintez edilən LiMn2O4-ün Rct-si sol gel üsulu ilə sintez ediləndən xeyli yüksəkdir və bu hadisə litium-ion diffuziya əmsalında da əks olunur. Bunun əsas səbəbi müxtəlif sintez üsullarının məhsulların kristallığına və morfologiyasına əhəmiyyətli təsir göstərməsidir.

3. Fosfat sisteminin müsbət elektrod materiallarının aşağı temperatur xüsusiyyətləri

LiFePO4, üçlü materiallarla yanaşı, əla həcm sabitliyi və təhlükəsizliyi sayəsində güc batareyaları üçün əsas katod materialına çevrilmişdir. Litium dəmir fosfatın aşağı temperaturda zəif işləməsi əsasən onun materialının aşağı elektron keçiriciliyi, zəif litium ion diffuziyası və aşağı temperaturda zəif keçiriciliyi olan bir izolyator olmasıdır ki, bu da batareyanın daxili müqavimətini artırır, qütbləşməyə böyük təsir göstərir, və batareyanın doldurulmasına və boşalmasına mane olur. Buna görə də, aşağı temperatur performansı ideal deyil.
Gu Yijie və başqaları. LiFePO4-ün aşağı temperaturda yükün boşaldılması davranışını öyrənərkən, LiFePO4-ün kulon səmərəliliyinin müvafiq olaraq 55 ℃-də 100%-dən 0 ℃-də 96%-ə və -20 ℃-də 64%-ə qədər azaldığını aşkar etdi; Boşaltma gərginliyi 55 ℃-də 3,11V-dən -20 ℃-də 2,62V-ə qədər azalır.
Xing və başqaları. LiFePO4-ü dəyişdirmək üçün nano karbondan istifadə etdi və nano karbon keçirici maddələrin əlavə edilməsinin LiFePO4-ün elektrokimyəvi performansının temperatura həssaslığını azaltdığını və aşağı temperatur performansını yaxşılaşdırdığını aşkar etdi; Dəyişdirilmiş LiFePO4-ün boşalma gərginliyi 25 ℃-də 3,40V-dən -25 ℃-də 3,09V-ə qədər, cəmi 9,12% azalıb; Batareyanın səmərəliliyi -25 ℃-də 57,3%, nanokarbon keçirici maddələr olmadan 53,4% -dən yüksəkdir.
Son zamanlar LiMnPO4 insanlar arasında böyük maraq doğurub. Tədqiqatlar LiMnPO4-ün yüksək potensial (4.1V), çirklənməməsi, aşağı qiymət və böyük xüsusi tutum (170mAh/g) kimi üstünlüklərə malik olduğunu aşkar edib. Bununla belə, LiMnPO4 LiFePO4-dən daha aşağı ion keçiriciliyinə malik olduğundan praktikada tez-tez Mn-ni Fe ilə qismən əvəz etmək üçün LiMn0.8Fe0.2PO4 Bərk məhlul yaratmaq üçün istifadə olunur.

Litium-ion batareyaları üçün mənfi elektrod materiallarının aşağı temperatur xüsusiyyətləri

Müsbət elektrod materialları ilə müqayisədə, litium-ion batareyalarda mənfi elektrod materiallarının aşağı temperaturda pisləşməsi, əsasən, aşağıdakı üç səbəbə görə daha şiddətlidir:

• Aşağı temperatur və yüksək sürətli şarj və boşalma zamanı batareyanın polarizasiyası şiddətlidir və mənfi elektrod səthində çox miqdarda litium metal yataqları və litium metal və elektrolit arasındakı reaksiya məhsulları ümumiyyətlə keçiriciliyə malik deyil;
• Termodinamik nöqteyi-nəzərdən elektrolit mənfi elektrod materialları ilə reaksiya verə bilən C-O və C-N kimi çoxlu sayda qütb qruplarını ehtiva edir, nəticədə aşağı temperaturlara daha çox həssas olan SEI filmləri yaranır;
• Aşağı temperaturda litiumun karbon mənfi elektrodlara yerləşdirilməsi çətindir, nəticədə asimmetrik doldurulma və boşalma baş verir.

Aşağı temperaturlu elektrolitlər üzrə tədqiqatlar

Elektrolit litium-ion batareyalarda Li+ ötürülməsində rol oynayır və onun ion keçiriciliyi və SEI film əmələ gətirmə performansı batareyanın aşağı temperatur performansına əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Aşağı temperaturlu elektrolitin keyfiyyətini qiymətləndirmək üçün üç əsas göstərici var: ion keçiriciliyi, elektrokimyəvi pəncərə və elektrod reaksiya aktivliyi. Bu üç göstəricinin səviyyəsi əsasən onların tərkib materiallarından asılıdır: həlledicilər, elektrolitlər (litium duzları) və əlavələr. Buna görə də, elektrolitin müxtəlif hissələrinin aşağı temperatur göstəricilərinin öyrənilməsi batareyaların aşağı temperaturda işini başa düşmək və yaxşılaşdırmaq üçün böyük əhəmiyyət kəsb edir.

• Zəncirli karbonatlarla müqayisədə EC əsaslı elektrolitlər yığcam quruluşa, yüksək gücə, yüksək ərimə nöqtəsinə və özlülüyünə malikdir. Bununla belə, dairəvi quruluşun yaratdığı böyük polarite tez-tez böyük bir dielektrik sabitliyə səbəb olur. EC həlledicilərinin yüksək dielektrik davamlılığı, yüksək ion keçiriciliyi və mükəmməl film əmələ gətirmə qabiliyyəti həlledici molekulların birgə daxil edilməsinin qarşısını effektiv şəkildə alır və onları əvəzedilməz edir. Buna görə də, ən çox istifadə olunan aşağı temperaturlu elektrolit sistemləri EC-yə əsaslanır və aşağı ərimə nöqtəsi olan kiçik molekullu həlledicilərlə qarışdırılır.
• 
  
• Litium duzları elektrolitlərin mühüm tərkib hissəsidir. Elektrolitlərdəki litium duzları məhlulun ion keçiriciliyini yaxşılaşdırmaqla yanaşı, məhlulda Li+-nın diffuziya məsafəsini də azalda bilər. Ümumiyyətlə, məhlulda Li+ konsentrasiyası nə qədər yüksək olarsa, onun ion keçiriciliyi də bir o qədər yüksək olar. Bununla belə, elektrolitdə litium ionlarının konsentrasiyası litium duzlarının konsentrasiyası ilə xətti olaraq əlaqələndirilmir, əksinə parabolik formadadır. Çünki həlledicidə litium ionlarının konsentrasiyası həlledicidə litium duzlarının dissosiasiya və assosiasiyasının gücündən asılıdır.

Batareyanın tərkibinə əlavə olaraq, praktiki əməliyyatda proses amilləri də batareyanın işinə əhəmiyyətli təsir göstərə bilər.

(1) Hazırlıq prosesi. Yaqub və b. elektrod yükünün və örtük qalınlığının LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Qrafit akkumulyatorlarının aşağı temperatur performansına təsirini öyrənmiş və aşkar etmişdir ki, tutumun saxlanması baxımından elektrod yükü nə qədər kiçik olarsa, örtük təbəqəsi bir o qədər incə olar və bir o qədər yaxşıdır. onun aşağı temperatur performansı.

(2) Doldurma və boşalma vəziyyəti. Petzl və başqaları. aşağı temperaturun doldurulması və boşaldılması şərtlərinin batareyaların dövriyyə müddətinə təsirini öyrənmiş və müəyyən etmişdir ki, boşalma dərinliyi böyük olduqda, bu, əhəmiyyətli tutum itkisinə səbəb olacaq və dövrün ömrünü azaldır.

(3) Digər amillər. Səth sahəsi, məsamə ölçüsü, elektrod sıxlığı, elektrod və elektrolit arasındakı ıslanma qabiliyyəti və elektrodların ayırıcısı litium-ion batareyalarının aşağı temperaturda işləməsinə təsir göstərir. Bundan əlavə, materialların və proseslərdəki qüsurların batareyaların aşağı temperaturda işləməsinə təsirini nəzərə almamaq olmaz.

Ümumiləşdirin

Litium-ion batareyalarının aşağı temperaturda işləməsini təmin etmək üçün aşağıdakıları etmək lazımdır:

(1) nazik və sıx SEI filminin formalaşdırılması;

(2) Li+-nın aktiv maddədə böyük diffuziya əmsalına malik olmasını təmin edin;

(3) Elektrolitlər aşağı temperaturda yüksək ion keçiriciliyinə malikdirlər.

Bundan əlavə, tədqiqat həm də yeni yollar kəşf edə və başqa bir litium-ion batareya növünə - bütün bərk hallı litium-ion batareyalara diqqət yetirə bilər. Adi litium-ion batareyaları ilə müqayisədə, bütün bərk hallı litium-ion batareyaların, xüsusən də bütün bərk hallı nazik film litium-ion batareyalarının aşağı temperaturda istifadə olunan batareyaların tutumunun azalması və velosiped sürmə təhlükəsizliyi məsələlərini tamamilə həll edəcəyi gözlənilir.