Niyə litium batareya tutumu qışda azalır?

Niyə litium batareya tutumu qışda azalır

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 batareyanın -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 temperaturlu mühitlərdə litium-ion batareyalarının mənfi elektrodu güclü litium yağıntısına məruz qalır və çökmüş metal litium elektrolitlə reaksiya verir, nəticədə onun məhsullarının çökməsi və bərk elektrolit interfeysinin (SEI) qalınlığının artması ilə nəticələnir.
• Aşağı temperaturlu mühitlərdə aktiv material daxilində litium-ion batareyaların diffuziya sistemi azalır və yük ötürmə empedansı (Rct) əhəmiyyətli dərəcədə artır.

Litium-ion batareyalarının aşağı temperaturda işləməsinə təsir edən amillərin tədqiqi

Mütəxəssis rəyi 1: Elektrolit litium-ion batareyalarının aşağı temperatur performansına ən çox təsir göstərir və elektrolitin tərkibi və fiziki-kimyəvi xüsusiyyətləri batareyaların aşağı temperaturda işləməsinə mühüm təsir göstərir. Batareyaların aşağı temperaturda dövriyyəsi zamanı qarşılaşılan problem elektrolitin özlülüyünün artması, ion keçirmə sürətinin yavaşlaması və xarici dövrədə elektronların miqrasiya sürətinin uyğun gəlməməsidir, nəticədə batareyanın kəskin polarizasiyası və kəskin doldurma və boşaltma qabiliyyətinin azalması. Xüsusilə aşağı temperaturda şarj edildikdə, litium ionları mənfi elektrod səthində asanlıqla litium dendritləri əmələ gətirərək batareyanın sıradan çıxmasına səbəb ola bilər.

Elektrolitin aşağı temperaturda işləməsi onun öz 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, miqrasiya bir o qədər çox olur və keçiricilik bir o qədər yüksək olur. Keçiricilik nə qədər yüksək olarsa və ion keçirmə sürəti nə qədər yüksək olarsa, alınan polarizasiya bir o qədər kiçik olar və aşağı temperaturda batareyanın performansı bir o qədər yaxşı olar. Buna görə daha 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 membranından çox, 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 ticari olaraq mövcud olan ən erkən müsbət elektrod materialıdır. Onun nümayəndəsi maddələrinə LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 və Li (Ni, Co, Mn) O2 daxildir.

Xie Xiaohua və başqaları. LiCoO2/MCMB tədqiq etmiş və onun aşağı temperaturda doldurma və boşaltma xüsusiyyətlərini sınaqdan keçirmişdir.

Nəticələr göstərdi ki, temperatur azaldıqca axıdma platosu 3,762V (0 ℃)-dən 3,207 V (-30 ℃)-ə qədər azalıb; Ümumi batareya tutumu da 78,98 mA · saatdan (0 ℃) 68,55 mA · saata (-30 ℃) qədər kəskin şəkildə azalıb.

2. Şpinel strukturlu katod materiallarının aşağı temperatur xüsusiyyətləri

Spinel strukturlu LiMn2O4 katod materialı Co elementinin olmaması səbəbindən aşağı qiymət və 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 katod materiallarının aşağı temperatur xüsusiyyətləri

LiFePO4, üçlü materiallarla birlikdə, əla həcm sabitliyi və təhlükəsizliyi sayəsində güc batareyaları üçün əsas müsbət elektrod materialına çevrildi. Litium dəmir fosfatın aşağı temperaturda zəif işləməsi əsasən onun materialının izolyator olması, aşağı elektron keçiriciliyi, zəif litium ion diffuziyası və aşağı temperaturda zəif keçiriciliyi ilə bağlıdır ki, bu da batareyanın daxili müqavimətini artırır və qütbləşmədən çox təsirlənir. , batareyanın doldurulması və boşaldılmasına mane olur, nəticədə qeyri-qənaətbəxş aşağı temperatur performansı.

Aşağı temperaturda LiFePO4-ün yük və boşalma davranışını öyrənərkən Gu Yijie et al. müəyyən etdi ki, onun kulon səmərəliliyi 55 ℃-də 100%-dən 0 ℃-də 96%-ə və -20 ℃-də 64%-ə qədər azalıb; Boşaltma gərginliyi 55 ℃-də 3,11V-dən -20 ℃-də 2,62V-ə qədər azalır.

Xing və başqaları. nanokarbondan istifadə edərək LiFePO4-ü dəyişdirdi və aşkar etdi ki, nanokarbon keçirici maddələrin əlavə edilməsi LiFePO4-ün elektrokimyəvi göstəricilərinin temperatura həssaslığını azaldıb və aşağı temperaturda performansını yaxşılaşdırıb; 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-ün LiFePO4 ilə müqayisədə daha aşağı ion keçiriciliyinə görə, praktikada LiMn0.8Fe0.2PO4 bərk məhlullarını yaratmaq üçün Fe tez-tez Mn-ni qismən əvəz etmək 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 deqradasiyası fenomeni əsasən aşağıdakı üç səbəbə görə daha şiddətlidir:

• Aşağı temperaturda 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 temperatur təsirlərinə 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 gəlməsi performansı batareyanın aşağı temperatur performansına əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Aşağı temperaturlu elektrolitlərin 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 qarşılıqlı təsir gücünə, daha yüksək ərimə nöqtəsinə və özlülüyünə malikdir. Bununla belə, dairəvi quruluşun gətirdiyi böyük polarite tez-tez yüksək 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 bir o qədər yüksək olar. Bununla belə, elektrolitdə litium ionlarının konsentrasiyası litium duzlarının konsentrasiyası ilə xətti olaraq korrelyasiya olunmur, əksinə parabolik forma nümayiş etdirir. 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 müəyyən etmişdir ki, tutumun saxlanması baxımından elektrod yükü nə qədər kiçik olarsa və örtük təbəqəsi nə qədər incə olarsa, bir o qədər yaxşı olar. 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 ayırıcı hamısı litium-ion batareyalarının aşağı temperatur performansına təsir göstərir. Bundan əlavə, material və texnoloji qüsurların batareyaların aşağı temperaturda işləməsinə təsiri göz ardı edilə bilməz.

Sbitir

Litium-ion batareyalarının aşağı temperaturda işləməsini təmin etmək üçün aşağıdakı məqamları yaxşı yerinə yetirmək lazımdır:

(1) nazik və sıx SEI filminin formalaşdırılması;

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

(3) Elektrolitlər aşağı temperaturda yüksək ion keçiriciliyinə malikdirlər.

Bundan əlavə, tədqiqat fərqli bir yanaşma tətbiq edə və başqa bir litium-ion batareya növünə - bütün bərk hallı litium-ion batareyalara diqqət yetirə bilər. Adi litium-ion batareyalarla müqayisədə, bütün bərk hallı litium-ion batareyaların, xüsusən də bütün bərk hallı nazik filmli litium-ion batareyaların aşağı temperaturda istifadə olunan batareyaların tutumunun deqradasiyası və velosiped sürmə təhlükəsizliyi məsələlərini tamamilə həll edəcəyi gözlənilir.