2024-04-26
Kodėl žiemą sumažėja ličio baterijos talpa
Kodėl žiemą sumažėja ličio baterijos talpa?
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. Naudojant žemos temperatūros ličio jonų baterijas, kyla problemų, tokių kaip maža talpa, stiprus susilpnėjimas, prastas ciklo greitis, akivaizdus ličio išsiskyrimas ir nesubalansuotas ličio pašalinimas ir įdėjimas. Tačiau nuolat plečiantis taikymo sričiai, vis labiau pastebimi suvaržymai, atsirandantys dėl prasto ličio jonų baterijų veikimo žemoje temperatūroje.
Nuo tada, kai ličio jonų akumuliatoriai pateko į rinką, jie buvo plačiai naudojami dėl savo privalumų, tokių kaip ilgas tarnavimo laikas, didelė specifinė talpa ir atminties efekto nebuvimas. Ličio jonų akumuliatoriai, naudojami žemoje temperatūroje, turi problemų, tokių kaip maža talpa, didelis susilpnėjimas, prastas ciklo greitis, akivaizdus ličio nusodinimas ir nesubalansuotas ličio deinterkalavimas ir deinterkalacija. Tačiau vis labiau plečiantis taikymo sritims, vis labiau ryškėja apribojimai, 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 reikalaujama, kad akumuliatorius normaliai veiktų esant -40 ℃. Todėl labai svarbu pagerinti ličio jonų baterijų žemos temperatūros savybes.
Remiantis ataskaitomis, ličio jonų baterijų iškrovimo talpa -20 °C temperatūroje yra tik apie 31,5% kambario temperatūros. Tradicinių ličio jonų baterijų darbinė temperatūra yra nuo -20 ~ +55 ℃. Tačiau aviacijos, karinės pramonės, elektromobilių ir kitose srityse baterijos turi normaliai veikti -40°C temperatūroje. Todėl labai svarbu pagerinti ličio jonų baterijų žemos temperatūros savybes.
Veiksniai, ribojantys ličio jonų baterijų veikimą žemoje temperatūroje
Diskusija apie veiksnius, turinčius įtakos ličio jonų baterijų veikimui žemoje temperatūroje
1 eksperto nuomonė: elektrolitas turi didžiausią įtaką ličio jonų akumuliatorių veikimui žemoje temperatūroje, o elektrolito sudėtis ir fizikinės bei cheminės savybės turi didelę įtaką baterijų veikimui žemoje temperatūroje. Problema, su kuria susiduria baterijų cikliškumas žemoje temperatūroje, yra ta, kad padidėja elektrolito klampumas, lėtėja jonų laidumo greitis, o elektronų migracijos greitis išorinėje grandinėje nesutampa, todėl akumuliatorius smarkiai poliarizuojasi ir staigiai nutrūksta. įkrovimo ir iškrovimo pajėgumų sumažėjimas. Ypač kraunant žemoje temperatūroje, ličio jonai gali lengvai suformuoti ličio dendritus ant neigiamo elektrodo paviršiaus, todėl akumuliatorius sugenda.
1 ekspertų nuomonė: elektrolitas turi didžiausią įtaką ličio jonų akumuliatorių veikimui žemoje temperatūroje Elektrolito sudėtis ir fizinės bei cheminės savybės turi didelę įtaką akumuliatoriaus veikimui žemoje temperatūroje. Problema, su kuria susiduria akumuliatoriai, veikiantys žemoje temperatūroje, yra ta, kad padidės elektrolito klampumas ir sulėtės jonų laidumo greitis, todėl išorinės grandinės elektronų migracijos greitis neatitiks poliarizuotas, o įkrovimo ir iškrovimo talpa smarkiai sumažės. Ypač kraunant žemoje temperatūroje, ličio jonai gali lengvai suformuoti ličio dendritus ant neigiamo elektrodo paviršiaus, sukeldami akumuliatoriaus gedimą.
Elektrolito veikimas žemoje temperatūroje yra glaudžiai susijęs su jo laidumu. Elektrolitai, turintys didelio laidumo jonus, greitai perneša jonus ir gali turėti daugiau talpos esant žemai temperatūrai. Kuo daugiau ličio druskų disocijuoja elektrolite, tuo didesnė migracija ir didesnis laidumas. Kuo didesnis laidumas ir greitesnis jonų laidumo greitis, tuo mažesnė gaunama poliarizacija ir geresnis akumuliatoriaus veikimas esant žemai temperatūrai. Todėl didesnis laidumas yra būtina sąlyga norint pasiekti gerą ličio jonų baterijų veikimą žemoje temperatūroje.
Elektrolito veikimas žemoje temperatūroje yra glaudžiai susijęs su paties elektrolito laidumu. Didelio laidumo elektrolitas gali greitai pernešti jonus ir gali turėti daugiau talpos esant žemai temperatūrai. Kuo daugiau ličio druskų elektrolite yra disocijuota, tuo didesnis migracijų skaičius ir didesnis laidumas. Laidumas yra didelis ir kuo didesnis jonų laidumo greitis, tuo mažesnė poliarizacija ir tuo geresnis akumuliatoriaus veikimas esant žemai temperatūrai. Todėl didesnis elektros 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 sklandumas esant žemai temperatūrai yra jonų pernešimo garantija, o kieto elektrolito plėvelė, kurią elektrolitas sudaro ant neigiamo elektrodo esant žemai temperatūrai, taip pat yra pagrindinis veiksnys, turintis įtakos ličio jonų laidumui, o RSEI yra pagrindinė ličio varža. jonų baterijos žemos temperatūros aplinkoje.
Elektrolito laidumas yra susijęs su elektrolito sudėtimi Tirpiklio klampumo mažinimas yra vienas iš būdų pagerinti elektrolito laidumą. Geras tirpiklio sklandumas esant žemai temperatūrai užtikrina jonų pernešimą, o kieto elektrolito plėvelė, kurią sudaro elektrolitas ant neigiamo elektrodo esant žemai temperatūrai, taip pat yra raktas į ličio jonų laidumą, o RSEI yra pagrindinė ličio jonų akumuliatorių varža. 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 membrana.
2 ekspertas: pagrindinis veiksnys, ribojantis ličio jonų baterijų veikimą žemoje temperatūroje, yra staigus Li+ difuzijos atsparumo padidėjimas žemoje temperatūroje, o ne SEI plėvelė.
Ličio jonų akumuliatorių teigiamų elektrodų medžiagų žemos temperatūros charakteristikos
Ličio jonų baterijų katodinių medžiagų žemos temperatūros charakteristikos
1. Sluoksniuotų teigiamų elektrodų medžiagų žemos temperatūros charakteristikos
1. Sluoksniuotos struktūros katodinių 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 akumuliatorių teigiamo elektrodo medžiaga. Jai būdingos medžiagos yra LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 ir Li (Ni, Co, Mn) O2.
Sluoksniuota struktūra turi ne tik neprilygstamą vienmačių ličio jonų difuzijos kanalų greitį, bet ir trimačių kanalų struktūrinį stabilumą. Tai yra ankstyviausia komercinė ličio jonų baterijos katodo medžiaga. Jai būdingos medžiagos yra LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 ir Li(Ni,Co,Mn)O2 ir kt.
Xie Xiaohua ir kt. ištyrė LiCoO2/MCMB ir išbandė jo žemos temperatūros įkrovimo ir iškrovimo charakteristikas.
Xie Xiaohua ir kiti kaip tyrimo objektą naudojo LiCoO2/MCMB ir išbandė jo žemos temperatūros įkrovimo ir iškrovimo charakteristikas.
Rezultatai parodė, kad mažėjant temperatūrai iškrovos plokščiakalnis sumažėjo 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 ℃).
Rezultatai rodo, kad mažėjant temperatūrai, jo iškrovos platforma nukrenta nuo 3,762 V (0 ℃) iki 3,207 V (–30 ℃) taip pat smarkiai sumažėja nuo 78,98 mA·h (0 ℃) iki 68,55 mA·h; (–30°C).
2. Špinelio struktūros katodinių medžiagų žemos temperatūros charakteristikos
2. Špinelio struktūros katodinių medžiagų žematemperatūrinės charakteristikos
Špinelio struktūros LiMn2O4 katodo medžiaga turi mažų sąnaudų ir netoksiškumo pranašumus, nes joje nėra Co elemento.
Špinelio struktūros LiMn2O4 katodo medžiagoje nėra Co elemento, todėl ji turi mažos kainos ir netoksiškumo privalumus.
Tačiau kintamos Mn valentinės būsenos ir Mn3+ Jahn Teller efektas sukelia struktūrinį nestabilumą ir prastą šio komponento grįžtamumą.
Tačiau kintama Mn valentinė būsena 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 sintetinamas sol gelio metodu, ir šis reiškinys atsispindi ir ličio jonų difuzijos koeficiente. Pagrindinė to priežastis yra ta, kad skirtingi sintezės metodai turi didelę įtaką produktų kristališkumui ir morfologijai.
Peng Zhengshun ir kt. atkreipė dėmesį, kad skirtingi paruošimo metodai turi didesnį poveikį LiMn2O4 katodo medžiagų elektrocheminėms savybėms: LiMn2O4, susintetinto aukštos temperatūros kietosios fazės metodu, Rct yra žymiai didesnis nei susintetintas. sol-gelio metodu, o šis reiškinys pasireiškia ličio jonais. Tai atsispindi ir difuzijos koeficiente. Priežastis daugiausia ta, kad skirtingi sintezės metodai turi didesnį poveikį produkto kristališkumui ir morfologijai.
3. Fosfatinės sistemos katodinių medžiagų žemos temperatūros charakteristikos
3. Fosfatinės sistemos katodinių medžiagų žemos temperatūros charakteristikos
Dėl puikaus tūrio stabilumo ir saugumo LiFePO4 kartu su trikomponentėmis medžiagomis tapo pagrindine teigiamo elektrodo medžiaga maitinimo elementams.
Špinelio struktūros LiMn2O4 katodo medžiagoje nėra Co elemento, todėl ji turi mažos kainos ir netoksiškumo privalumus.
Prastas ličio geležies fosfatas veikia žemoje temperatūroje daugiausia dėl to, kad jo medžiaga yra izoliatorius, mažas elektroninis laidumas, prasta ličio jonų difuzija ir prastas laidumas žemoje temperatūroje, o tai padidina akumuliatoriaus vidinę varžą ir yra labai paveikta poliarizacijos. , trukdo įkrauti ir iškrauti akumuliatorių, todėl žemoje temperatūroje veikimas yra nepatenkinamas.
Dėl puikaus tūrio stabilumo ir saugumo LiFePO4 kartu su trijų komponentų medžiagomis tapo pagrindine dabartinių katodinių medžiagų, skirtų maitinimo elementams, dalimi. Prastas ličio geležies fosfato veikimas žemoje temperatūroje daugiausia yra dėl to, kad pati medžiaga yra izoliatorius, turintis mažą elektroninį laidumą, prastą ličio jonų difuziją ir prastą laidumą žemoje temperatūroje, o tai padidina vidinį akumuliatoriaus atsparumą. poliarizacija ir trukdo įkrauti bei išsikrauti, todėl žema temperatūra Veikimas nėra idealus.
Tyrinėdami LiFePO4 įkrovimo ir iškrovimo elgesį žemoje temperatūroje, Gu Yijie ir kt. nustatė, kad jo kuloninis efektyvumas sumažėjo nuo 100 % esant 55 ℃ iki 96 % esant 0 ℃ ir 64 % esant -20 ℃; Iškrovos įtampa sumažėja nuo 3,11 V esant 55 ℃ iki 2,62 V esant -20 ℃.
Kai Gu Yijie ir kt. tyrė LiFePO4 įkrovimą ir iškrovimą žemoje temperatūroje, jie nustatė, kad jo kuloninis efektyvumas sumažėjo nuo 100% esant 55 °C iki 96% esant 0 °C ir 64% esant –20 °C įtampa nukrito nuo 3,11V prie 55°C Sumažėja iki 2,62V esant –20°C.
Xing ir kt. modifikavo LiFePO4 naudojant nanoanglį ir nustatė, kad nanoanglies 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 %; Ir jo akumuliatoriaus efektyvumas yra 57,3% esant -25 ℃, didesnis nei 53,4% be nanoanglies laidžių agentų.
Xing ir kt. naudojo nanokarboną LiFePO4 modifikavimui ir nustatė, kad pridėjus nanoanglies laidžio agento, LiFePO4 elektrocheminės savybės buvo mažiau jautrios temperatūrai, o po modifikavimo LiFePO4 pagerėjo veikimas žemoje temperatūroje Iškrovos įtampa nukrito nuo 3,40 V esant 25 ℃ iki 3,09 V prie –25 ℃, sumažėjo tik 9,12 %, o akumuliatoriaus efektyvumas esant –25 ℃ buvo 57,3 %, didesnis nei 53,4 % be nanoanglies laidžios medžiagos.
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 dėl mažesnio LiMnPO4 joninio laidumo, palyginti su LiFePO4, Fe dažnai naudojamas dalinai pakeisti Mn, kad būtų suformuoti LiMn0,8Fe0,2PO4 kietieji tirpalai.
Pastaruoju metu LiMnPO4 sulaukė didelio susidomėjimo. Moksliniais tyrimais nustatyta, kad LiMnPO4 privalumai yra didelis potencialas (4,1 V), neteršimas, maža kaina ir didelė specifinė talpa (170 mAh/g). Tačiau dėl mažesnio LiMnPO4 joninio laidumo nei LiFePO4, Fe dažnai naudojamas dalinai pakeisti Mn praktiškai, kad susidarytų LiMn0,8Fe0,2PO4 kietas tirpalas.
Ličio jonų akumuliatoriaus anodo medžiagų žemos temperatūros savybės
Palyginti su teigiamų elektrodų medžiagomis, ličio jonų baterijų neigiamų elektrodų medžiagų irimo žemoje temperatūroje reiškinys yra sunkesnis, daugiausia dėl šių trijų priežasčių:
Palyginti su katodinėmis medžiagomis, ličio jonų baterijų anodo medžiagų gedimas žemoje temperatūroje yra rimtesnis. Yra trys pagrindinės priežastys.
Žemos temperatūros elektrolitų tyrimai
Žemos temperatūros elektrolito tyrimai
Elektrolitas vaidina svarbų vaidmenį perduodant Li+in ličio jonų baterijas, o jo jonų laidumas ir SEI plėvelės formavimo charakteristikos turi didelės įtakos akumuliatoriaus veikimui žemoje temperatūroje. Yra trys pagrindiniai rodikliai, pagal kuriuos galima spręsti apie žemos temperatūros elektrolitų kokybę: jonų laidumas, elektrocheminis langas ir elektrodų 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.
Elektrolitas atlieka svarbų vaidmenį pernešant Li+ ličio jonų akumuliatoriuose, o jo joninis laidumas ir SEI plėvelės formavimo savybės daro didelę įtaką akumuliatoriaus veikimui žemoje temperatūroje. Yra trys pagrindiniai rodikliai, leidžiantys įvertinti žemos temperatūros elektrolitų kokybę: joninis laidumas, elektrocheminis langas ir elektrodų reaktyvumas. Šių trijų rodiklių lygiai labai priklauso nuo juos sudarančių medžiagų: tirpiklio, elektrolito (ličio druskos) ir priedų. Todėl įvairių elektrolito dalių žemos temperatūros savybių tyrimas yra labai svarbus norint suprasti ir pagerinti akumuliatoriaus veikimą žemoje temperatūroje.
Ličio druska yra svarbi elektrolito sudedamoji dalis. Elektrolite esanti ličio druska gali ne tik padidinti 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 susijusi su ličio druskos koncentracija, bet yra parabolinė. Taip yra todėl, kad ličio jonų koncentracija tirpiklyje priklauso nuo ličio druskos disociacijos stiprumo ir susiejimo tirpiklyje.
Žemos temperatūros elektrolitų tyrimai
Žemos temperatūros elektrolito tyrimai
Be pačios akumuliatoriaus sudėties, praktinio veikimo proceso veiksniai taip pat gali turėti didelės įtakos akumuliatoriaus veikimui.
Be pačios baterijos sudėties, faktinio veikimo proceso veiksniai taip pat turės didelę įtaką akumuliatoriaus veikimui.
(1) Paruošimo procesas. Yaqub ir kt. ištyrė elektrodo apkrovos ir dangos storio įtaką LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2/grafito baterijų veikimui žemoje temperatūroje ir nustatė, kad, kalbant apie talpos išlaikymą, kuo mažesnė elektrodo apkrova ir kuo plonesnis dangos sluoksnis, tuo jis geresnis. našumas žemoje temperatūroje.
(1) Paruošimo procesas. Yaqub ir kt. tyrė elektrodo apkrovos ir dangos storio poveikį LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2/grafito baterijų veikimui žemoje temperatūroje ir nustatė, kad, kalbant apie talpos išlaikymą, tuo mažesnė elektrodo apkrova ir plonesnis dangos sluoksnis. , tuo geresnis 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.
(2) Įkrovimo ir iškrovimo būsena. Petzl ir kt. tyrė žemos temperatūros įkrovimo ir iškrovimo būsenų įtaką akumuliatoriaus ciklui ir nustatė, kad kai iškrovimo gylis yra didelis, tai sukels didesnį talpos praradimą ir sumažins ciklo tarnavimo laiką.
(3) Kiti veiksniai. Paviršiaus plotas, porų dydis, elektrodo tankis, drėkinamumas tarp elektrodo ir elektrolito bei separatorius turi įtakos ličio jonų baterijų veikimui žemoje temperatūroje. Be to, negalima ignoruoti medžiagų ir proceso defektų įtakos akumuliatorių veikimui žemoje temperatūroje.
(3) Kiti veiksniai. Paviršiaus plotas, porų dydis, elektrodo elektrodo tankis, elektrodo ir elektrolito drėkinamumas bei separatorius turi įtakos ličio jonų baterijų veikimui žemoje temperatūroje. Be to, negalima ignoruoti medžiagų ir procesų defektų įtakos akumuliatorių veikimui žemoje temperatūroje.
Santrauka
Apibendrinti
Norint užtikrinti ličio jonų baterijų veikimą žemoje temperatūroje, reikia gerai atlikti šiuos dalykus:
(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, atliekant tyrimus galima taikyti kitokį požiūrį ir sutelkti dėmesį į kito tipo ličio jonų baterijas – visas kietojo kūno ličio jonų baterijas. Tikimasi, kad, palyginti su įprastomis ličio jonų baterijomis, visos kietojo kūno ličio jonų baterijos, ypač visos kietojo kūno plonasluoksnės ličio jonų baterijos, visiškai išspręs žemoje temperatūroje naudojamų baterijų talpos sumažėjimo ir važiavimo dviračiu saugos problemas.
Norint užtikrinti ličio jonų baterijų veikimą žemoje temperatūroje, reikia atlikti šiuos dalykus:
(1) Suformuokite ploną ir tankią SEI plėvelę;
(2) Užtikrinti, kad Li+ aktyviojoje medžiagoje būtų didelis difuzijos koeficientas;
(3) Elektrolitas turi didelį joninį laidumą žemoje temperatūroje.
Be to, moksliniai tyrimai taip pat gali rasti kitą būdą, kaip sutelkti dėmesį į kito tipo ličio jonų akumuliatorių ir kietojo kūno ličio jonų akumuliatorių. Palyginti su įprastomis ličio jonų baterijomis, tikimasi, kad visos kietojo kūno ličio jonų baterijos, ypač visos kietojo kūno plonasluoksnės ličio jonų baterijos, visiškai išspręs naudojamų baterijų talpos slopinimo ir ciklo saugos problemas. žemos temperatūros.