Zakaj se zmogljivost litijeve baterije pozimi zmanjša, končno zna nekdo razložiti!
Odkar so litij{0}}ionske baterije prišle na trg, so bile zaradi svojih prednosti dolge življenjske dobe, velike specifične zmogljivosti in brez pomnilniškega učinka široko uporabljene. Nizkotemperaturna uporaba litij-ionskih baterij ima težave, kot so nizka zmogljivost, resno slabljenje, slaba hitrost cikla, očitno odlaganje litija in neuravnotežena ekstrakcija litija. Vendar pa z nenehnim širjenjem področij uporabe postajajo omejitve, ki jih povzroča slabo{2}}nizkotemperaturno delovanje litij-ionskih baterij, vse bolj očitne.
Po poročilih je zmogljivost praznjenja litij-ionskih baterij pri -20 stopinjah le približno 31,5 odstotka zmogljivosti pri sobni temperaturi. Delovna temperatura tradicionalnih litij-ionskih baterij je med -20 in plus 55 stopinj. Vendar pa na področju vesoljske, vojaške industrije, električnih vozil itd., mora baterija normalno delovati pri -40 stopinjah. Zato je zelo pomembno izboljšati nizkotemperaturne lastnosti Li-ionskih baterij.
Dejavniki, ki omejujejo delovanje litij-ionskih baterij pri nizkih temperaturah
V okolju z nizko temperaturo se viskoznost elektrolita poveča in celo delno strdi, kar povzroči zmanjšanje prevodnosti litij{0}}ionskih baterij. Združljivost med elektrolitom in negativno elektrodo ter separatorjem postane slaba v okolju z nizko temperaturo. Negativna elektroda litij-ionske baterije ima resno obarjanje litija v okolju z nizko temperaturo, oborjeni kovinski litij pa reagira z elektrolitom, njegovo odlaganje produkta pa vodi do povečanja debeline trdne snovi- elektrolitski vmesnik (SEI). V nizkotemperaturnem okolju se difuzijski sistem litij-ionskih baterij v aktivnem materialu zmanjša, upor prenosa naboja (Rct) pa se znatno poveča.
Razprava o dejavnikih, ki vplivajo na delovanje litij-ionskih baterij pri nizkih temperaturah
Strokovno mnenje 1: Elektrolit ima največji vpliv na nizko-temperaturno delovanje litij-ionskih baterij, sestava in fizikalno-kemijske lastnosti elektrolita pa pomembno vplivajo na nizko{{3} }temperaturna zmogljivost baterije. Težave, s katerimi se sooča baterija pri nizki temperaturi, so: viskoznost elektrolita se bo povečala, hitrost ionske prevodnosti bo postala počasnejša, kar bo povzročilo neusklajenost hitrosti migracije elektronov zunanjega vezja, zato bo baterija močno polarizirana in zmogljivost polnjenja in praznjenja se bo močno zmanjšala. Zlasti pri polnjenju pri nizki temperaturi litijevi ioni zlahka tvorijo litijeve dendrite na površini negativne elektrode, kar povzroči okvaro baterije.
Nizkotemperaturna zmogljivost elektrolita je tesno povezana z velikostjo prevodnosti samega elektrolita. Elektrolit z visoko prevodnostjo hitro prenaša ione in ima večjo zmogljivost pri nizki temperaturi. Bolj ko je litijeva sol v elektrolitu disocirana, večje je število migracij in večja je prevodnost. Višja kot je električna prevodnost, hitrejša je hitrost ionske prevodnosti, manjša je polarizacija in boljša je zmogljivost baterije pri nizki temperaturi. Zato je višja električna prevodnost nujen pogoj za doseganje dobre -nizkotemperaturne zmogljivosti litij-ionskih baterij.
Prevodnost elektrolita je povezana s sestavo elektrolita, zmanjšanje viskoznosti topila pa je eden od načinov za izboljšanje prevodnosti elektrolita. Dobra fluidnost topila pri nizki temperaturi je zagotovilo za ionski transport, trdna elektrolitska folija, ki jo tvori elektrolit na negativni elektrodi pri nizki temperaturi, pa je tudi ključna za vplivanje na prevodnost litijevih ionov, RSEI pa je glavna impedanca. litij-ionskih baterij v nizkih temperaturah.
Strokovnjak 2: Glavni dejavnik, ki omejuje nizkotemperaturno delovanje litij-ionskih baterij, je močno povečana difuzijska odpornost Li plus pri nizkih temperaturah, ne film SEI.
Nizkotemperaturne lastnosti katodnih materialov za litij-ionske baterije
1. Nizkotemperaturne lastnosti slojnih katodnih materialov
Večplastna struktura ima ne le neprimerljivo hitrost eno-difuzijskih kanalov za litij ion, ampak ima tudi strukturno stabilnost tri-dimenzionalnih kanalov. Je najzgodnejši komercialni katodni material za litij-ionske baterije. Njegove reprezentativne snovi so LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 in Li(Ni, Co, Mn)O2 in tako naprej.
Xie Xiaohua et al. vzel LiCoO2/MCMB kot raziskovalni predmet in preizkusil njegove lastnosti nizko-temperaturnega naboja-razelektritve.
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. Nizko{1}temperaturne značilnosti spinel-strukturiranih katodnih materialov
LiMn2O4 katodni material s strukturo spinel ima prednosti nizke cene in netoksičnosti, ker ne vsebuje elementa Co.
Vendar pa valenčna spremenljivost Mn in učinek Jahn-Tellerja Mn3 plus povzročita strukturno nestabilnost in slabo reverzibilnost te komponente.
Peng Zhengshun et al. poudaril, da imajo različni načini priprave velik vpliv na elektrokemične lastnosti katodnih materialov LiMn2O4. Če vzamemo Rct kot primer: Rct LiMn2O4, sintetiziranega z visokotemperaturno trdno{4}}fazno metodo, je bistveno višji kot pri sol-gel metodi in ta pojav je pri litij-ionski metodi. Odraža se tudi difuzijski koeficient. Razlog je v tem, da imajo različne metode sinteze velik vpliv na kristalnost in morfologijo produktov.
3. Nizkotemperaturne lastnosti katodnih materialov fosfatnega sistema
Zaradi odlične prostornine in varnosti je LiFePO4 skupaj s ternarnimi materiali postal glavni del sedanjih katodnih materialov za električne baterije. Slabo delovanje litijevega železovega fosfata pri nizkih temperaturah je predvsem posledica dejstva, da je material sam izolator, z nizko elektronsko prevodnostjo, slabo difuzivnostjo litijevih ionov in slabo prevodnostjo pri nizki temperaturi, kar poveča notranji upor baterije, kar nanj močno vpliva polarizacija in ovira polnjenje in praznjenje baterije. Zato nizkotemperaturna zmogljivost ni idealna.
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.
V zadnjem času je LiMnPO4 pritegnil veliko zanimanja. Študija je pokazala, da ima LiMnPO4 prednosti visokega potenciala (4,1 V), brez onesnaževanja, nizke cene in velike specifične zmogljivosti (170mAh/g). Vendar pa se zaradi nižje ionske prevodnosti LiMnPO4 kot LiFePO4, Fe pogosto uporablja za delno nadomestitev Mn, da tvori trdno raztopino LiMn0.8Fe0.2PO4.
Nizkotemperaturne lastnosti anodnih materialov za litij-ionske baterije
V primerjavi z materialom pozitivne elektrode je nizkotemperaturno poslabšanje materiala negativne elektrode litij-ionske baterije resnejše, predvsem iz naslednjih treh razlogov:
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
Raziskave nizkotemperaturnih elektrolitov
Elektrolit ima vlogo transporta Li plus v litij-ionskih baterijah, njegova ionska prevodnost in lastnosti tvorbe filma SEI{1}}bistveno vplivajo na nizko{2}}temperaturno delovanje baterije . Obstajajo trije glavni kazalniki za presojo prednosti in slabosti nizkotemperaturnih-elektrolitov: ionska prevodnost, elektrokemično okno in reaktivnost elektrode. Raven teh treh kazalnikov je v veliki meri odvisna od njegovih sestavnih materialov: topila, elektrolita (litijeva sol) in dodatkov. Zato je raziskava nizkotemperaturne učinkovitosti vsakega dela elektrolita velikega pomena za razumevanje in izboljšanje delovanja baterije pri nizkih temperaturah.
·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.
Raziskave nizkotemperaturnih elektrolitov
Poleg same sestave baterije bodo na delovanje baterije močno vplivali tudi procesni dejavniki pri dejanskem delovanju.
(1) Postopek priprave. Yaqub et al. preučevali vpliv obremenitve elektrode in debeline prevleke na nizkotemperaturno delovanje LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/grafitnih baterij in ugotovili, da je v smislu zadrževanja zmogljivosti manjša je obremenitev elektrode in tanjša kot je plast prevleke, boljša je učinkovitost pri nizkih temperaturah. .
(2) Stanje polnjenja in praznjenja. Petzl idr. preučevali učinek nizkotemperaturnega stanja polnjenja-na življenjsko dobo baterije in ugotovili, da bo, ko je globina praznjenja velika, povzročila večjo izgubo zmogljivosti in skrajšala življenjsko dobo cikla.
(3) Drugi dejavniki. Površina, velikost por, gostota elektrod, omočljivost elektrode in elektrolita ter separatorja itd., vse to vpliva na nizko{1}}temperaturno delovanje litij- baterij. Poleg tega ni mogoče prezreti vpliva materialnih in procesnih napak na nizkotemperaturno delovanje baterije.
Povzemite
Da bi zagotovili nizkotemperaturno delovanje litij{0}}ionskih baterij, je treba izvesti naslednje točke:
(1) tvori tanek in gost SEI film;
(2) Zagotovite, da ima Li plus velik difuzijski koeficient v aktivnem materialu;
(3) Elektrolit ima visoko ionsko prevodnost pri nizki temperaturi.
Poleg tega lahko raziskava najde tudi drug način pogleda na drugo vrsto litij-ionske baterije-vse-polprevodni-litij- baterije . V primerjavi z običajnimi litij-ionskimi baterijami so vse-polprevodni-litij-ionske baterije, še posebej vse-polprevodni-tanki{10} {11}}filmske litij{12}}ionske baterije naj bi popolnoma rešile problem upadanja zmogljivosti in varnosti cikla, ko se baterije uporabljajo pri nizkih temperaturah.
