Kodėl žiemą sumažėja ličio baterijų talpa? Pagaliau kas nors gali paaiškinti!

Kodėl žiemą sumažėja ličio baterijų talpa? Pagaliau kas nors gali paaiškinti!

Nuo pat patekimo į rinką ličio jonų baterijos buvo plačiai naudojamos dėl savo pranašumų, tokių kaip ilgas tarnavimo laikas, didelė specifinė talpa ir atminties efekto nebuvimas. Ličio jonų baterijos, naudojamos žemoje temperatūroje, turi problemų, tokių kaip maža talpa, stiprus susilpnėjimas, prastas važiavimas dviračiu, akivaizdus ličio išsiskyrimas ir nesubalansuotas ličio pašalinimas ir įdėjimas. Tačiau nuolat plečiantis taikymo sritims, vis labiau pastebimi suvaržymai, kuriuos sukelia prastas ličio jonų baterijų veikimas žemoje temperatūroje.

Remiantis ataskaitomis, ličio jonų baterijų iškrovimo talpa esant -20 ℃ yra tik apie 31,5% kambario temperatūros. Tradiciniai ličio jonų akumuliatoriai veikia esant -20–+55 ℃ temperatūrai. Tačiau tokiose srityse kaip aviacija, karinės ir elektrinės transporto priemonės, akumuliatoriai turi normaliai veikti esant -40 ℃. Todėl labai svarbu pagerinti ličio jonų baterijų žemos temperatūros savybes.

Veiksniai, ribojantys ličio jonų baterijų veikimą žemoje temperatūroje

• Esant žemai temperatūrai, elektrolito klampumas didėja ir net iš dalies sukietėja, todėl sumažėja ličio jonų akumuliatorių laidumas.
• Elektrolito, neigiamo elektrodo ir separatoriaus suderinamumas pablogėja esant žemai temperatūrai.
• Esant žemai temperatūrai, neigiamas ličio jonų akumuliatorių elektrodas patiria stiprų ličio nusodinimą, o nusodintas metalinis litis reaguoja su elektrolitu, todėl nusėda produktai, kurie padidina kietojo kūno elektrolito sąsajos (SEI) storį.
• Žemos temperatūros aplinkoje sumažėja difuzijos sistema ličio jonų akumuliatorių aktyviosios medžiagos viduje, o įkrovos perdavimo varža (Rct) žymiai padidėja.

Diskusija apie veiksnius, turinčius įtakos ličio jonų baterijų veikimui žemoje temperatūroje

1 eksperto požiūris: elektrolitas turi didžiausią įtaką ličio jonų akumuliatorių veikimui žemoje temperatūroje, o elektrolito sudėtis ir fizikinės bei cheminės savybės turi didelę įtaką akumuliatoriaus veikimui žemoje temperatūroje. Problema, su kuria susiduria baterijų cikliškumas esant žemai temperatūrai, yra ta, kad padidės elektrolito klampumas, sulėtės jonų laidumo greitis, todėl išorinės grandinės elektronų migracijos greitis nesutampa, o tai sukelia didelę akumuliatoriaus poliarizaciją ir staigus įkrovos iškrovimo pajėgumo sumažėjimas. Ypač kraunant žemoje temperatūroje, ličio jonai gali lengvai suformuoti ličio dendritus ant neigiamo elektrodo paviršiaus, todėl akumuliatorius sugenda.

Elektrolitų veikimas žemoje temperatūroje yra glaudžiai susijęs su paties elektrolito laidumu. Elektrolitai, turintys didelio laidumo jonus, greitai perneša jonus ir gali turėti daugiau talpos esant žemai temperatūrai. Kuo daugiau ličio druskų elektrolite disocijuoja, tuo daugiau jos migruoja ir tuo didesnis jų laidumas. Kuo didesnis laidumas ir greitesnis jonų laidumo greitis, tuo mažesnė poliarizacija ir geresnis akumuliatoriaus veikimas esant žemai temperatūrai. Todėl didelis laidumas yra būtina sąlyga norint pasiekti gerą ličio jonų baterijų veikimą žemoje temperatūroje.

Elektrolito laidumas yra susijęs su jo sudėtimi, o tirpiklio klampumo mažinimas yra vienas iš būdų pagerinti elektrolito laidumą. Geras tirpiklių takumas žemoje temperatūroje yra jonų pernešimo garantija, o kietoji elektrolito plėvelė, kurią elektrolitas suformuoja ant neigiamo elektrodo žemoje temperatūroje, taip pat yra pagrindinis veiksnys, turintis įtakos ličio jonų laidumui, o RSEI yra pagrindinė ličio varža. jonų baterijos žemos temperatūros aplinkoje.

2 ekspertas: Pagrindinis veiksnys, ribojantis ličio jonų baterijų veikimą žemoje temperatūroje, yra sparčiai didėjanti Li + difuzijos varža žemoje temperatūroje, o ne SEI membranos.

Ličio jonų akumuliatorių teigiamų elektrodų medžiagų žemos temperatūros charakteristikos

1. Sluoksniuotų teigiamų elektrodų medžiagų žemos temperatūros charakteristikos

Sluoksniuota struktūra, pasižyminti neprilygstamu greičiu, palyginti su vienmačiais ličio jonų difuzijos kanalais ir struktūriniu trimačių kanalų stabilumu, yra anksčiausia komerciškai prieinama ličio jonų baterijų katodinė medžiaga. Jai būdingos medžiagos yra LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2 ir Li (Ni, Co, Mn) O2.
Xie Xiaohua ir kt. išbandė LiCoO2/MCMB, kaip tyrimo objekto, žemos temperatūros įkrovimo ir iškrovimo charakteristikas.
Rezultatai rodo, kad mažėjant temperatūrai iškrovos plokščiakalnis sumažėja nuo 3,762 V (0 ℃) iki 3,207 V (-30 ℃); Bendra akumuliatoriaus talpa taip pat smarkiai sumažėjo nuo 78,98 mA · h (0 ℃) iki 68,55 mA · h (-30 ℃).

2. Špinelio struktūros teigiamų elektrodų medžiagų žemos temperatūros charakteristikos

Špinelio struktūros LiMn2O4 katodo medžiaga turi mažų sąnaudų ir netoksiškumo pranašumus, nes joje nėra Co elemento.
Tačiau kintamos Mn valentinės būsenos ir Mn3+ Jahn Teller efektas sukelia struktūrinį nestabilumą ir prastą šio komponento grįžtamumą.
Peng Zhengshun ir kt. nurodė, kad skirtingi paruošimo būdai turi didelę įtaką LiMn2O4 katodinių medžiagų elektrocheminėms savybėms. Paimkite Rct kaip pavyzdį: LiMn2O4, susintetinto aukštos temperatūros kietosios fazės metodu, Rct yra žymiai didesnis nei susintetinto zolio gelio metodu, o šis reiškinys atsispindi ir ličio jonų difuzijos koeficiente. Pagrindinė to priežastis yra ta, kad skirtingi sintezės metodai turi didelę įtaką produktų kristališkumui ir morfologijai.

3. Fosfatinės sistemos teigiamų elektrodų medžiagų žemos temperatūros charakteristikos

LiFePO4 kartu su trijų komponentų medžiagomis tapo pagrindine maitinimo baterijų katodo medžiaga dėl puikaus tūrio stabilumo ir saugumo. Prastas ličio geležies fosfato veikimas žemoje temperatūroje daugiausia yra dėl to, kad pati jo medžiaga yra izoliatorius, turintis mažą elektroninį laidumą, prastą ličio jonų difuziją ir prastą laidumą žemoje temperatūroje, o tai padidina vidinį akumuliatoriaus atsparumą, labai paveikia poliarizaciją. ir trukdo įkrauti bei iškrauti akumuliatorių. Todėl žemos temperatūros veikimas nėra idealus.
Gu Yijie ir kt. nustatė, kad LiFePO4 kuloninis efektyvumas sumažėjo nuo 100 % esant 55 ℃ iki 96 % esant 0 ℃ ir 64 % esant -20 ℃, tiriant jo įkrovos iškrovimo elgesį žemoje temperatūroje; Iškrovos įtampa sumažėja nuo 3,11 V esant 55 ℃ iki 2,62 V esant -20 ℃.
Xing ir kt. naudojo nano anglį LiFePO4 modifikavimui ir nustatė, kad nano anglies laidžių agentų pridėjimas sumažino LiFePO4 elektrocheminių savybių jautrumą temperatūrai ir pagerino jo veikimą žemoje temperatūroje; Modifikuoto LiFePO4 iškrovos įtampa sumažėjo nuo 3,40 V esant 25 ℃ iki 3,09 V esant -25 ℃, sumažėjus tik 9,12 %; Jo baterijos efektyvumas yra 57,3% esant -25 ℃, didesnis nei 53,4% be nano anglies laidžių agentų.
Pastaruoju metu LiMnPO4 sukėlė didelį žmonių susidomėjimą. Tyrimai atskleidė, kad LiMnPO4 turi tokius privalumus kaip didelis potencialas (4,1 V), neteršimas, maža kaina ir didelė specifinė talpa (170 mAh/g). Tačiau kadangi LiMnPO4 joninis laidumas yra mažesnis nei LiFePO4, jis dažnai naudojamas praktiškai dalinai pakeisti Mn Fe, kad susidarytų LiMn0,8Fe0,2PO4 kietas tirpalas.

Ličio jonų akumuliatorių neigiamų elektrodų medžiagų žemos temperatūros charakteristikos

Palyginti su teigiamų elektrodų medžiagomis, ličio jonų baterijų neigiamų elektrodų medžiagų nusidėvėjimas žemoje temperatūroje yra sunkesnis, daugiausia dėl šių trijų priežasčių:

• Žemos temperatūros ir didelio greičio įkrovimo ir iškrovimo metu akumuliatoriaus poliarizacija yra stipri, o ant neigiamo elektrodo paviršiaus nusėda didelis kiekis ličio metalo, o ličio metalo ir elektrolito reakcijos produktai paprastai neturi laidumo;
• Žvelgiant iš termodinaminės perspektyvos, elektrolite yra daug polinių grupių, tokių kaip C-O ir C-N, kurios gali reaguoti su neigiamomis elektrodų medžiagomis, todėl susidaro SEI plėvelės, kurios yra jautresnės žemai temperatūrai;
• Sunku įterpti ličio į anglies neigiamus elektrodus esant žemai temperatūrai, todėl susidaro asimetrinis įkrovimas ir iškrovimas.

Žemos temperatūros elektrolitų tyrimai

Elektrolitas vaidina svarbų vaidmenį perduodant ličio jonų baterijas Li+, o jo jonų laidumas ir SEI plėvelės formavimo savybės daro didelę įtaką akumuliatoriaus veikimui žemoje temperatūroje. Yra trys pagrindiniai rodikliai, pagal kuriuos galima spręsti apie žemos temperatūros elektrolito kokybę: jonų laidumas, elektrocheminis langas ir elektrodo reakcijos aktyvumas. Šių trijų rodiklių lygis labai priklauso nuo juos sudarančių medžiagų: tirpiklių, elektrolitų (ličio druskų) ir priedų. Todėl įvairių elektrolito dalių veikimo žemoje temperatūroje tyrimas yra labai svarbus norint suprasti ir pagerinti baterijų veikimą žemoje temperatūroje.

• Palyginti su grandininiais karbonatais, EB pagrindu pagaminti elektrolitai turi kompaktišką struktūrą, didelę jėgą, aukštą lydymosi temperatūrą ir klampumą. Tačiau didelis poliškumas, kurį sukelia apskrita struktūra, dažnai lemia didelę dielektrinę konstantą. Didelė dielektrinė konstanta, didelis joninis laidumas ir puikios EB tirpiklių plėvelės formavimo savybės veiksmingai užkerta kelią tirpiklių molekulių įterpimui, todėl jos yra būtinos. Todėl dažniausiai naudojamos žemos temperatūros elektrolitų sistemos yra pagrįstos EC ir sumaišytos su žemos lydymosi temperatūros mažų molekulių tirpikliais.
• 
  
• Ličio druskos yra svarbi elektrolitų sudedamoji dalis. Elektrolituose esančios ličio druskos gali ne tik pagerinti tirpalo joninį laidumą, bet ir sumažinti Li+ difuzijos atstumą tirpale. Paprastai kalbant, kuo didesnė Li+ koncentracija tirpale, tuo didesnis jo joninis laidumas. Tačiau ličio jonų koncentracija elektrolite nėra tiesiškai koreliuojama su ličio druskų koncentracija, o veikiau paraboline forma. Taip yra todėl, kad ličio jonų koncentracija tirpiklyje priklauso nuo disociacijos stiprumo ir ličio druskų susiejimo tirpiklyje.

Be pačios akumuliatoriaus sudėties, praktinio veikimo proceso veiksniai taip pat gali turėti didelės įtakos akumuliatoriaus veikimui.

(1) Paruošimo procesas. Yaqub ir kt. ištyrė elektrodo apkrovos ir dangos storio poveikį LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2/grafito baterijų veikimui žemoje temperatūroje ir nustatė, kad, kalbant apie talpos išlaikymą, kuo mažesnė elektrodo apkrova, tuo plonesnis dangos sluoksnis ir tuo geriau. jo veikimas žemoje temperatūroje.

(2) Įkrovimo ir iškrovimo būsena. Petzl ir kt. ištyrė žemos temperatūros įkrovimo ir iškrovimo sąlygų poveikį akumuliatorių ciklo trukmei ir nustatė, kad kai iškrovimo gylis yra didelis, tai sukels didelį talpos praradimą ir sumažins ciklo trukmę.

(3) Kiti veiksniai. Paviršiaus plotas, porų dydis, elektrodo tankis, drėkinamumas tarp elektrodo ir elektrolito bei elektrodų separatorius turi įtakos ličio jonų baterijų veikimui žemoje temperatūroje. Be to, negalima ignoruoti medžiagų ir procesų defektų įtakos akumuliatorių veikimui žemoje temperatūroje.

Apibendrinti

Norint užtikrinti ličio jonų baterijų veikimą žemoje temperatūroje, būtina atlikti šiuos veiksmus:

(1) plonos ir tankios SEI plėvelės formavimas;

(2) Užtikrinti, kad Li+ veikliosios medžiagos difuzijos koeficientas būtų didelis;

(3) Elektrolitai turi didelį joninį laidumą esant žemai temperatūrai.

Be to, moksliniai tyrimai taip pat gali ieškoti naujų būdų ir sutelkti dėmesį į kito tipo ličio jonų baterijas – visas kietojo kūno ličio jonų baterijas. Palyginti su įprastomis ličio jonų baterijomis, tikimasi, kad visos kietojo kūno ličio jonų baterijos, ypač visos kietojo kūno plonasluoksnės ličio jonų baterijos, visiškai išspręs žemoje temperatūroje naudojamų baterijų talpos sumažėjimo ir dviračių saugos problemas.