লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি বাজারে প্রবেশের পর থেকে, দীর্ঘ জীবন, বড় নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং কোনো মেমরির প্রভাবের কারণে তাদের ব্যাপকভাবে ব্যবহার করা হয়েছে। লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন তাপমাত্রার ব্যবহারে কম ক্ষমতা, গুরুতর ক্ষয়, দুর্বল চক্রের হার কার্যক্ষমতা, স্পষ্ট লিথিয়াম জমা এবং ভারসাম্যহীন লিথিয়াম নিষ্কাশনের মতো সমস্যা রয়েছে। যাইহোক, অ্যাপ্লিকেশন ক্ষেত্রগুলির ক্রমাগত সম্প্রসারণের সাথে, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কার্যকারিতার কারণে সৃষ্ট সীমাবদ্ধতাগুলি আরও স্পষ্ট হয়ে উঠছে।

রিপোর্ট অনুসারে, -20 ডিগ্রি সেলসিয়াসে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিষ্কাশন ক্ষমতা ঘরের তাপমাত্রার মাত্র 31.5%। ঐতিহ্যবাহী লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির অপারেটিং তাপমাত্রা -20 এবং +55 °C এর মধ্যে। যাইহোক, মহাকাশ, সামরিক শিল্প, বৈদ্যুতিক যান ইত্যাদি ক্ষেত্রে, ব্যাটারি সাধারণত -40 ডিগ্রি সেলসিয়াসে কাজ করতে হয়। অতএব, লি-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্যগুলিকে উন্নত করা অত্যন্ত তাৎপর্যপূর্ণ।

লি-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন তাপমাত্রা কর্মক্ষমতা সীমাবদ্ধ করার কারণ

নিম্ন তাপমাত্রার পরিবেশে, ইলেক্ট্রোলাইটের সান্দ্রতা বৃদ্ধি পায় এবং এমনকি আংশিকভাবে শক্ত হয়ে যায়, যার ফলে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির পরিবাহিতা হ্রাস পায়।

কম তাপমাত্রার পরিবেশে ইলেক্ট্রোলাইট এবং নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড এবং বিভাজকের মধ্যে সামঞ্জস্যতা খারাপ হয়ে যায়।

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডে নিম্ন তাপমাত্রার পরিবেশে গুরুতর লিথিয়াম বৃষ্টিপাত হয়, এবং প্রস্ফুটিত ধাতু লিথিয়াম ইলেক্ট্রোলাইটের সাথে বিক্রিয়া করে এবং এর পণ্য জমার ফলে সলিড-ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারফেস (SEI) এর পুরুত্ব বৃদ্ধি পায়।

নিম্ন তাপমাত্রার পরিবেশে, সক্রিয় উপাদানে লি-আয়ন ব্যাটারির ডিফিউশন সিস্টেম হ্রাস পায় এবং চার্জ ট্রান্সফার রেজিস্ট্যান্স (Rct) উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পায়।

লি-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন তাপমাত্রা পারফরম্যান্সকে প্রভাবিত করার কারণগুলির উপর আলোচনা

বিশেষজ্ঞের মতামত 1: লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতার উপর ইলেক্ট্রোলাইট সবচেয়ে বেশি প্রভাব ফেলে এবং ইলেক্ট্রোলাইটের গঠন এবং ভৌত রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যগুলি ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতার উপর গুরুত্বপূর্ণ প্রভাব ফেলে। নিম্ন তাপমাত্রায় ব্যাটারি চক্রের সমস্যাগুলি হল: ইলেক্ট্রোলাইটের সান্দ্রতা বৃদ্ধি পাবে, এবং আয়ন পরিবাহনের গতি ধীর হয়ে যাবে, যার ফলে বাহ্যিক সার্কিটের ইলেকট্রন স্থানান্তর গতির সাথে মিল নেই, তাই ব্যাটারি মারাত্মকভাবে পোলারাইজড হয়, এবং চার্জ এবং স্রাব ক্ষমতা তীব্রভাবে হ্রাস করা হয়। বিশেষত কম তাপমাত্রায় চার্জ করার সময়, লিথিয়াম আয়নগুলি সহজেই নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডের পৃষ্ঠে লিথিয়াম ডেনড্রাইট গঠন করে, যার ফলে ব্যাটারি ব্যর্থ হয়।

ইলেক্ট্রোলাইটের নিম্ন তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা ইলেক্ট্রোলাইটের পরিবাহিতার আকারের সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত। উচ্চ পরিবাহিতা সহ ইলেক্ট্রোলাইট দ্রুত আয়ন প্রেরণ করে এবং কম তাপমাত্রায় আরও ক্ষমতা প্রয়োগ করতে পারে। ইলেক্ট্রোলাইটে লিথিয়াম লবণ যত বেশি বিচ্ছিন্ন, স্থানান্তরের সংখ্যা তত বেশি এবং পরিবাহিতা তত বেশি। বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা যত বেশি হবে, আয়ন পরিবাহনের হার তত দ্রুত হবে, মেরুকরণ কম হবে এবং কম তাপমাত্রায় ব্যাটারির কর্মক্ষমতা তত বেশি হবে। তাই, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির ভালো কম-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা অর্জনের জন্য উচ্চতর বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা একটি প্রয়োজনীয় শর্ত।

ইলেক্ট্রোলাইটের পরিবাহিতা ইলেক্ট্রোলাইটের সংমিশ্রণের সাথে সম্পর্কিত এবং দ্রাবকের সান্দ্রতা হ্রাস করা ইলেক্ট্রোলাইটের পরিবাহিতা উন্নত করার অন্যতম উপায়। কম তাপমাত্রায় দ্রাবকের ভাল তরলতা হল আয়ন পরিবহনের গ্যারান্টি, এবং কম তাপমাত্রায় ঋণাত্মক ইলেক্ট্রোডে ইলেক্ট্রোলাইট দ্বারা গঠিত কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট ফিল্মও লিথিয়াম আয়নগুলির পরিবাহকে প্রভাবিত করার মূল চাবিকাঠি, এবং RSEI হল প্রধান প্রতিবন্ধকতা। কম তাপমাত্রার পরিবেশে লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির।

বিশেষজ্ঞ 2: লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা সীমিত করার প্রধান কারণ হল নিম্ন তাপমাত্রায় তীব্রভাবে বেড়ে যাওয়া Li+ বিস্তার প্রতিরোধ, SEI ফিল্ম নয়।

লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির জন্য ক্যাথোড উপকরণের নিম্ন তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্য

1. স্তরযুক্ত ক্যাথোড উপকরণ নিম্ন তাপমাত্রা বৈশিষ্ট্য

স্তরযুক্ত কাঠামোতে কেবলমাত্র এক-মাত্রিক লিথিয়াম আয়ন ডিফিউশন চ্যানেলগুলির অতুলনীয় হারের কার্যকারিতা নেই, তবে ত্রিমাত্রিক চ্যানেলগুলির কাঠামোগত স্থিতিশীলতাও রয়েছে। এটি লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির জন্য প্রাচীনতম বাণিজ্যিক ক্যাথোড উপাদান। এর প্রতিনিধি পদার্থ হল LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 এবং Li(Ni, Co, Mn)O2 ইত্যাদি।

Xie Xiaohua et al. গবেষণা অবজেক্ট হিসাবে LiCoO2/MCMB নিয়েছে এবং এর কম-তাপমাত্রার চার্জ-ডিসচার্জ বৈশিষ্ট্যগুলি পরীক্ষা করেছে।

ফলাফলগুলি দেখায় যে তাপমাত্রা হ্রাসের সাথে, ডিসচার্জ প্ল্যাটফর্ম 3.762V (0°C) থেকে 3.207V (–30°C) এ নেমে আসে; মোট ব্যাটারির ক্ষমতাও 78.98mA·mAh (0°C) থেকে 68.55mA·h (-30°C) এ তীব্রভাবে কমে যায়।

2. স্পিনেল-গঠিত ক্যাথোড উপকরণের নিম্ন-তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্য

স্পিনেল স্ট্রাকচার LiMn2O4 ক্যাথোড উপাদানে কম খরচে এবং অ-বিষাক্ততার সুবিধা রয়েছে কারণ এতে Co উপাদান নেই।

যাইহোক, Mn-এর ভ্যালেন্স পরিবর্তনশীলতা এবং Mn3+ এর Jahn-Teller প্রভাব এই উপাদানটির কাঠামোগত অস্থিরতা এবং দুর্বল বিপরীতমুখীতার দিকে পরিচালিত করে।

পেং জেংশুন এট আল। উল্লেখ করেছেন যে বিভিন্ন প্রস্তুতির পদ্ধতি LiMn2O4 ক্যাথোড উপকরণগুলির ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্সের উপর একটি দুর্দান্ত প্রভাব ফেলে। উদাহরণ হিসাবে Rct গ্রহণ করা: উচ্চ তাপমাত্রার কঠিন-ফেজ পদ্ধতি দ্বারা সংশ্লেষিত LiMn2O4-এর Rct সল-জেল পদ্ধতির তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি, এবং এই ঘটনাটি লিথিয়াম আয়ন দ্বারা প্রভাবিত হয় না। ডিফিউশন সহগও প্রতিফলিত হয়। কারণ হল যে বিভিন্ন সংশ্লেষণ পদ্ধতি পণ্যগুলির স্ফটিকতা এবং রূপবিদ্যার উপর দুর্দান্ত প্রভাব ফেলে।

3. ফসফেট সিস্টেমের ক্যাথোড পদার্থের নিম্ন তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্য

এর চমৎকার ভলিউম স্থিতিশীলতা এবং নিরাপত্তার কারণে, LiFePO4, একত্রে ত্রিমাত্রিক উপকরণগুলির সাথে, বর্তমান পাওয়ার ব্যাটারি ক্যাথোড সামগ্রীর প্রধান অংশ হয়ে উঠেছে। লিথিয়াম আয়রন ফসফেটের নিম্ন তাপমাত্রার কার্যকারিতা প্রধানত কারণ এর উপাদান নিজেই একটি নিরোধক, কম ইলেকট্রনিক পরিবাহিতা, দুর্বল লিথিয়াম আয়ন ডিফিউসিভিটি এবং নিম্ন তাপমাত্রায় দুর্বল পরিবাহিতা, যা ব্যাটারির অভ্যন্তরীণ প্রতিরোধ ক্ষমতা বাড়ায়, যা ব্যাপকভাবে প্রভাবিত হয়। মেরুকরণ, এবং ব্যাটারির চার্জ এবং স্রাব বাধাগ্রস্ত হয়। অতএব, নিম্ন তাপমাত্রা কর্মক্ষমতা আদর্শ নয়.

কম তাপমাত্রায় LiFePO4 এর চার্জ-ডিসচার্জ আচরণ অধ্যয়ন করার সময়, Gu Yijie et al. দেখা গেছে যে এর কুলম্বিক দক্ষতা 100°C এ 55% থেকে যথাক্রমে 96°C এবং 0% -64°C এ নেমে এসেছে; ডিসচার্জ ভোল্টেজ 20V থেকে 3.11°C এ কমে গেছে। -55 ডিগ্রি সেলসিয়াসে 2.62V এ হ্রাস করুন।

জিং এট আল। ন্যানোকার্বন দিয়ে LiFePO4 পরিবর্তিত হয়েছে এবং পাওয়া গেছে যে ন্যানোকার্বন পরিবাহী এজেন্ট যোগ করার পরে, LiFePO4 এর বৈদ্যুতিক রাসায়নিক কর্মক্ষমতা তাপমাত্রার প্রতি কম সংবেদনশীল ছিল এবং নিম্ন তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা উন্নত হয়েছে; পরিবর্তিত LiFePO4-এর ডিসচার্জ ভোল্টেজ 3.40 থেকে 25 °CV-তে 3.09V-তে -25°C-তে বেড়েছে, মাত্র 9.12% হ্রাস পেয়েছে; এবং -25 ডিগ্রি সেলসিয়াসে এর কোষের কার্যক্ষমতা 57.3%, যা ন্যানো-কার্বন পরিবাহী এজেন্ট ছাড়াই 53.4% ​​এর চেয়ে বেশি।

সম্প্রতি, LiMnPO4 অনেক আগ্রহ আকর্ষণ করেছে। সমীক্ষায় দেখা গেছে যে LiMnPO4 এর উচ্চ সম্ভাবনা (4.1V), দূষণ নেই, কম দাম এবং বড় নির্দিষ্ট ক্ষমতা (170mAh/g) এর সুবিধা রয়েছে। যাইহোক, LiFePO4-এর তুলনায় LiMnPO4-এর নিম্ন আয়নিক পরিবাহিতার কারণে, প্রায়শই Fe-কে Mn-কে আংশিকভাবে প্রতিস্থাপন করে LiMn0.8Fe0.2PO4 কঠিন দ্রবণ তৈরি করতে ব্যবহার করা হয়।

লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির জন্য অ্যানোড উপকরণের নিম্ন তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্য

ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদানের সাথে তুলনা করে, লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদানের নিম্ন তাপমাত্রার অবনতি আরও গুরুতর, প্রধানত নিম্নলিখিত তিনটি কারণে:

কম তাপমাত্রা এবং উচ্চ হারে চার্জিং এবং ডিসচার্জ করার সময়, ব্যাটারিটি গুরুতরভাবে মেরুকরণ করা হয় এবং নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডের পৃষ্ঠে প্রচুর পরিমাণে ধাতব লিথিয়াম জমা হয় এবং ধাতব লিথিয়াম এবং ইলেক্ট্রোলাইটের প্রতিক্রিয়া পণ্যে সাধারণত পরিবাহিতা থাকে না;

থার্মোডাইনামিক দৃষ্টিকোণ থেকে, ইলেক্ট্রোলাইটে প্রচুর সংখ্যক পোলার গ্রুপ রয়েছে যেমন CO এবং CN, যা নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদানের সাথে প্রতিক্রিয়া করতে পারে এবং গঠিত SEI ফিল্ম নিম্ন তাপমাত্রার জন্য বেশি সংবেদনশীল;

কার্বন নেগেটিভ ইলেক্ট্রোড কম তাপমাত্রায় লিথিয়ামকে ইন্টারক্যালেট করা কঠিন, এবং অসমমিত চার্জ এবং স্রাব রয়েছে।

ছবি

নিম্ন তাপমাত্রা ইলেক্ট্রোলাইট গবেষণা

ইলেক্ট্রোলাইট লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে Li+ পরিবহনের ভূমিকা পালন করে এবং এর আয়নিক পরিবাহিতা এবং SEI ফিল্ম-গঠন বৈশিষ্ট্যগুলি ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতার উপর উল্লেখযোগ্য প্রভাব ফেলে। নিম্ন-তাপমাত্রার ইলেক্ট্রোলাইটের ভালো-মন্দ বিচার করার জন্য তিনটি প্রধান সূচক রয়েছে: আয়নিক পরিবাহিতা, ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল উইন্ডো এবং ইলেক্ট্রোড প্রতিক্রিয়া। দ্রাবক, ইলেক্ট্রোলাইট (লিথিয়াম লবণ) এবং সংযোজনকারী উপাদানগুলির উপর এই তিনটি সূচকের মাত্রা অনেকাংশে নির্ভর করে। অতএব, ব্যাটারির নিম্ন তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা বোঝার এবং উন্নত করার জন্য ইলেক্ট্রোলাইটের প্রতিটি অংশের নিম্ন তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা নিয়ে গবেষণাটি অত্যন্ত তাৎপর্যপূর্ণ।

চেইন কার্বনেটের সাথে তুলনা করে, ইসি-ভিত্তিক ইলেক্ট্রোলাইটগুলির নিম্ন তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্য, চক্রীয় কার্বনেটগুলির একটি কমপ্যাক্ট গঠন, বৃহৎ অভিনয় শক্তি এবং উচ্চতর গলনাঙ্ক এবং সান্দ্রতা রয়েছে। যাইহোক, রিং গঠন দ্বারা আনা বৃহৎ পোলারিটি এটিকে প্রায়শই একটি বড় অস্তরক ধ্রুবক তৈরি করে। বড় অস্তরক ধ্রুবক, উচ্চ আয়নিক পরিবাহিতা, এবং EC দ্রাবকগুলির চমৎকার ফিল্ম-গঠন বৈশিষ্ট্যগুলি কার্যকরভাবে দ্রাবক অণুগুলির সহ-সন্নিবেশকে প্রতিরোধ করে, তাদের অপরিহার্য করে তোলে। অতএব, সাধারণত ব্যবহৃত কম-তাপমাত্রার ইলেক্ট্রোলাইট সিস্টেমগুলির বেশিরভাগই ইসির উপর ভিত্তি করে এবং তারপরে কম গলনাঙ্কের সাথে মিশ্রিত ছোট অণু দ্রাবক।

লিথিয়াম লবণ ইলেক্ট্রোলাইটের একটি গুরুত্বপূর্ণ উপাদান। ইলেক্ট্রোলাইটে থাকা লিথিয়াম লবণ শুধুমাত্র দ্রবণের আয়নিক পরিবাহিতাকে উন্নত করতে পারে না, তবে দ্রবণে Li+ এর বিচ্ছুরণ দূরত্বও কমাতে পারে। সাধারণভাবে, দ্রবণে Li+ এর ঘনত্ব যত বেশি, আয়নিক পরিবাহিতা তত বেশি। যাইহোক, ইলেক্ট্রোলাইটে লিথিয়াম আয়নগুলির ঘনত্ব লিথিয়াম লবণের ঘনত্বের সাথে রৈখিকভাবে সম্পর্কিত নয়, তবে প্যারাবোলিক। এর কারণ হল দ্রাবকের মধ্যে লিথিয়াম আয়নের ঘনত্ব নির্ভর করে দ্রাবকের মধ্যে লিথিয়াম লবণের বিচ্ছেদ এবং সংযোগের শক্তির উপর।

নিম্ন তাপমাত্রা ইলেক্ট্রোলাইট গবেষণা

ব্যাটারির সংমিশ্রণ ছাড়াও, প্রকৃত ক্রিয়াকলাপের প্রক্রিয়ার কারণগুলিও ব্যাটারির কার্যক্ষমতার উপর দুর্দান্ত প্রভাব ফেলবে।
(1) প্রস্তুতি প্রক্রিয়া। ইয়াকুব প্রমুখ। LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 / গ্রাফাইট ব্যাটারির নিম্ন তাপমাত্রার পারফরম্যান্সের উপর ইলেক্ট্রোড লোড এবং আবরণ পুরুত্বের প্রভাব অধ্যয়ন করে এবং দেখা গেছে যে ক্ষমতা ধরে রাখার ক্ষেত্রে, ইলেক্ট্রোডের লোড যত ছোট হবে এবং আবরণ স্তর যত পাতলা হবে তত ভাল তাপমাত্রা কর্মক্ষমতা। .

(2) চার্জ এবং স্রাবের অবস্থা। Petzl et al. ব্যাটারি চক্রের জীবনের উপর নিম্ন-তাপমাত্রার চার্জ-ডিসচার্জ অবস্থার প্রভাব অধ্যয়ন করেছে এবং দেখা গেছে যে যখন স্রাবের গভীরতা বড় হয়, তখন এটি বৃহত্তর ক্ষমতা হ্রাস করে এবং চক্রের আয়ু কমিয়ে দেয়।

(3) অন্যান্য কারণ। পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল, ছিদ্রের আকার, ইলেক্ট্রোডের ঘনত্ব, ইলেক্ট্রোড এবং ইলেক্ট্রোলাইটের ভেজাতা, এবং বিভাজক, ইত্যাদি সবই লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতাকে প্রভাবিত করে। উপরন্তু, ব্যাটারির নিম্ন তাপমাত্রা কর্মক্ষমতা উপর উপাদান এবং প্রক্রিয়া ত্রুটির প্রভাব উপেক্ষা করা যাবে না.

সংক্ষিপ্ত করা

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা নিশ্চিত করার জন্য, নিম্নলিখিত বিষয়গুলি করা দরকার:

(1) একটি পাতলা এবং ঘন SEI ফিল্ম গঠন;

(2) নিশ্চিত করুন যে সক্রিয় উপাদানে Li+ এর একটি বড় প্রসারণ সহগ রয়েছে;

(3) কম তাপমাত্রায় ইলেক্ট্রোলাইটের উচ্চ আয়নিক পরিবাহিতা রয়েছে।

উপরন্তু, গবেষণা অন্য ধরনের লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি-অল-সলিড-স্টেট লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি দেখার জন্য অন্য উপায় খুঁজে পেতে পারে। প্রচলিত লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির সাথে তুলনা করে, অল-সলিড-স্টেট লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি, বিশেষ করে অল-সলিড-স্টেট থিন-ফিল্ম লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি, ব্যাটারি ব্যবহার করার সময় ক্ষমতা ক্ষয় এবং চক্র নিরাপত্তার সমস্যা সম্পূর্ণরূপে সমাধান করবে বলে আশা করা হচ্ছে। নিম্ন তাপমাত্রা গ