જ્યારથી લિથિયમ-આયન બેટરીઓ બજારમાં પ્રવેશી છે, ત્યારથી તેઓ લાંબા આયુષ્ય, મોટી ચોક્કસ ક્ષમતા અને કોઈ મેમરી અસરના ફાયદાને કારણે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. લિથિયમ-આયન બેટરીના નીચા તાપમાનના ઉપયોગમાં ઓછી ક્ષમતા, ગંભીર એટેન્યુએશન, નબળા ચક્ર દરની કામગીરી, સ્પષ્ટ લિથિયમ ડિપોઝિશન અને અસંતુલિત લિથિયમ નિષ્કર્ષણ જેવી સમસ્યાઓ છે. જો કે, એપ્લિકેશન ક્ષેત્રોના સતત વિસ્તરણ સાથે, લિથિયમ-આયન બેટરીના નબળા નીચા-તાપમાન પ્રદર્શનને કારણે થતી અવરોધો વધુને વધુ સ્પષ્ટ બની રહી છે.

અહેવાલો અનુસાર, -20°C પર લિથિયમ-આયન બેટરીની ડિસ્ચાર્જ ક્ષમતા ઓરડાના તાપમાને તેના માત્ર 31.5% જેટલી છે. પરંપરાગત લિથિયમ-આયન બેટરીનું સંચાલન તાપમાન -20 અને +55 °C ની વચ્ચે હોય છે. જો કે, એરોસ્પેસ, લશ્કરી ઉદ્યોગ, ઇલેક્ટ્રિક વાહનો, વગેરેના ક્ષેત્રોમાં, બેટરીને સામાન્ય રીતે -40 ° સે પર કામ કરવું જરૂરી છે. તેથી, લિ-આયન બેટરીના નીચા-તાપમાન ગુણધર્મોને સુધારવા માટે તે ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે.

લિ-આયન બેટરીના નીચા તાપમાન પ્રદર્શનને પ્રતિબંધિત કરતા પરિબળો

નીચા તાપમાનના વાતાવરણમાં, ઇલેક્ટ્રોલાઇટની સ્નિગ્ધતા વધે છે અને તે પણ આંશિક રીતે મજબૂત બને છે, પરિણામે લિથિયમ-આયન બેટરીની વાહકતામાં ઘટાડો થાય છે.

નીચા તાપમાનના વાતાવરણમાં ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ અને વિભાજક વચ્ચેની સુસંગતતા નબળી પડી જાય છે.

લિથિયમ-આયન બેટરીના નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં નીચા તાપમાનના વાતાવરણમાં ગંભીર લિથિયમ અવક્ષેપ હોય છે, અને અવક્ષેપિત ધાતુ લિથિયમ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે, અને તેના ઉત્પાદનના ડિપોઝિશનથી સોલિડ-ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઇન્ટરફેસ (SEI) ની જાડાઈમાં વધારો થાય છે.

નીચા તાપમાનના વાતાવરણમાં, સક્રિય સામગ્રીમાં લિ-આયન બેટરીની પ્રસરણ પ્રણાલી ઘટે છે, અને ચાર્જ ટ્રાન્સફર રેઝિસ્ટન્સ (Rct) નોંધપાત્ર રીતે વધે છે.

લિ-આયન બેટરીના નીચા તાપમાન પ્રદર્શનને અસર કરતા પરિબળો પર ચર્ચા

નિષ્ણાત અભિપ્રાય 1: લિથિયમ-આયન બેટરીના નીચા-તાપમાન પ્રદર્શન પર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સૌથી વધુ અસર કરે છે, અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટની રચના અને ભૌતિક રાસાયણિક ગુણધર્મો બેટરીના નીચા-તાપમાન પ્રદર્શન પર મહત્વપૂર્ણ અસર કરે છે. નીચા તાપમાને બેટરી ચક્ર દ્વારા જે સમસ્યાઓનો સામનો કરવો પડે છે તે છે: ઇલેક્ટ્રોલાઇટની સ્નિગ્ધતા વધશે, અને આયન વહનની ગતિ ધીમી થશે, પરિણામે બાહ્ય સર્કિટની ઇલેક્ટ્રોન સ્થળાંતર ગતિ સાથે મેળ ખાતી નથી, તેથી બેટરી ગંભીર રીતે ધ્રુવીકરણ કરે છે, અને ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ ક્ષમતામાં તીવ્ર ઘટાડો થયો છે. ખાસ કરીને નીચા તાપમાને ચાર્જ કરતી વખતે, લિથિયમ આયનો સરળતાથી નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી પર લિથિયમ ડેંડ્રાઇટ્સ બનાવે છે, જેના પરિણામે બેટરી નિષ્ફળ થાય છે.

ઇલેક્ટ્રોલાઇટનું નીચું તાપમાન પ્રદર્શન ઇલેક્ટ્રોલાઇટની વાહકતાના કદ સાથે નજીકથી સંબંધિત છે. ઉચ્ચ વાહકતા ધરાવતું ઇલેક્ટ્રોલાઇટ આયનોને ઝડપથી પ્રસારિત કરે છે અને નીચા તાપમાને વધુ ક્ષમતાનો ઉપયોગ કરી શકે છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં લિથિયમ મીઠું જેટલું વધુ વિખરાયેલું છે, સ્થળાંતરની સંખ્યા વધારે છે અને વાહકતા વધારે છે. વિદ્યુત વાહકતા જેટલી વધારે છે, આયન વહન દર જેટલો ઝડપી, ધ્રુવીકરણ ઓછું અને નીચા તાપમાને બેટરીનું પ્રદર્શન વધુ સારું છે. તેથી, લિથિયમ-આયન બેટરીના નીચા-તાપમાનના સારા પ્રદર્શનને હાંસલ કરવા માટે ઉચ્ચ વિદ્યુત વાહકતા એ આવશ્યક સ્થિતિ છે.

ઇલેક્ટ્રોલાઇટની વાહકતા ઇલેક્ટ્રોલાઇટની રચના સાથે સંબંધિત છે, અને દ્રાવકની સ્નિગ્ધતા ઘટાડવી એ ઇલેક્ટ્રોલાઇટની વાહકતાને સુધારવાની એક રીત છે. નીચા તાપમાને દ્રાવકની સારી પ્રવાહીતા એ આયન પરિવહનની બાંયધરી છે, અને નીચા તાપમાને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા રચાયેલી ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ફિલ્મ પણ લિથિયમ આયનોના વહનને અસર કરવાની ચાવી છે, અને RSEI એ મુખ્ય અવરોધ છે. નીચા તાપમાનના વાતાવરણમાં લિથિયમ આયન બેટરી.

નિષ્ણાત 2: લિથિયમ-આયન બેટરીના નીચા તાપમાન પ્રદર્શનને મર્યાદિત કરતું મુખ્ય પરિબળ એ SEI ફિલ્મ નહીં પણ નીચા તાપમાને Li+ પ્રસરણ પ્રતિકારમાં તીવ્ર વધારો છે.

લિથિયમ આયન બેટરી માટે કેથોડ સામગ્રીના નીચા તાપમાન ગુણધર્મો

1. સ્તરવાળી કેથોડ સામગ્રીના નીચા તાપમાન ગુણધર્મો

સ્તરીય માળખું માત્ર એક-પરિમાણીય લિથિયમ આયન પ્રસરણ ચેનલોની અજોડ દર કામગીરી ધરાવે છે, પરંતુ ત્રિ-પરિમાણીય ચેનલોની માળખાકીય સ્થિરતા પણ ધરાવે છે. તે લિથિયમ આયન બેટરી માટે સૌથી પહેલું વ્યાપારી કેથોડ સામગ્રી છે. તેના પ્રતિનિધિ પદાર્થો છે LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 અને Li(Ni, Co, Mn)O2 વગેરે.

Xie Xiaohua et al. LiCoO2/MCMB ને સંશોધન ઑબ્જેક્ટ તરીકે લીધું અને તેની ઓછી-તાપમાન ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ લાક્ષણિકતાઓનું પરીક્ષણ કર્યું.

પરિણામો દર્શાવે છે કે તાપમાનના ઘટાડા સાથે, ડિસ્ચાર્જ પ્લેટફોર્મ 3.762V (0°C) થી ઘટીને 3.207V (–30°C); બેટરીની કુલ ક્ષમતા પણ 78.98mAh (0°C) થી 68.55mAh (–30°C) સુધી ઝડપથી ઘટી જાય છે.

2. સ્પિનલ-સ્ટ્રક્ચર્ડ કેથોડ સામગ્રીની નીચી-તાપમાન લાક્ષણિકતાઓ

સ્પિનલ સ્ટ્રક્ચર LiMn2O4 કેથોડ સામગ્રીમાં ઓછી કિંમત અને બિન-ઝેરીતાના ફાયદા છે કારણ કે તેમાં Co તત્વ નથી.

જો કે, Mn ની વેલેન્સ વેરિએબિલિટી અને Mn3+ ની જાહ્ન-ટેલર અસર આ ઘટકની માળખાકીય અસ્થિરતા અને નબળી ઉલટાવી શકાય તેવું તરફ દોરી જાય છે.

પેંગ ઝેંગશુન એટ અલ. ધ્યાન દોર્યું કે વિવિધ તૈયારી પદ્ધતિઓ LiMn2O4 કેથોડ સામગ્રીના ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રભાવ પર ખૂબ પ્રભાવ ધરાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે Rct લેતા: ઉચ્ચ તાપમાનની ઘન-તબક્કા પદ્ધતિ દ્વારા સંશ્લેષિત LiMn2O4 નું Rct સોલ-જેલ પદ્ધતિ કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે, અને આ ઘટના લિથિયમ આયનોથી પ્રભાવિત થતી નથી. પ્રસરણ ગુણાંક પણ પ્રતિબિંબિત થાય છે. કારણ એ છે કે વિવિધ સંશ્લેષણ પદ્ધતિઓનો ઉત્પાદનોની સ્ફટિકીયતા અને મોર્ફોલોજી પર મોટો પ્રભાવ છે.

3. ફોસ્ફેટ સિસ્ટમના કેથોડ સામગ્રીના નીચા તાપમાનની લાક્ષણિકતાઓ

તેની ઉત્કૃષ્ટ વોલ્યુમ સ્થિરતા અને સલામતીને લીધે, LiFePO4, ટર્નરી સામગ્રીઓ સાથે, વર્તમાન પાવર બેટરી કેથોડ સામગ્રીનું મુખ્ય ભાગ બની ગયું છે. લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટનું નબળું નીચું તાપમાન પ્રદર્શન મુખ્યત્વે કારણ કે તેની સામગ્રી પોતે એક ઇન્સ્યુલેટર છે, જેમાં નીચી ઈલેક્ટ્રોનિક વાહકતા, નબળી લિથિયમ આયન પ્રસારતા અને નીચા તાપમાને નબળી વાહકતા, જે બેટરીના આંતરિક પ્રતિકારને વધારે છે, જે મોટા પ્રમાણમાં પ્રભાવિત થાય છે. ધ્રુવીકરણ, અને બેટરી ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ અવરોધાય છે. તેથી, નીચા તાપમાનનું પ્રદર્શન આદર્શ નથી.

નીચા તાપમાને LiFePO4 ના ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ વર્તનનો અભ્યાસ કરતી વખતે, Gu Yijie et al. જાણવા મળ્યું કે તેની કુલોમ્બિક કાર્યક્ષમતા અનુક્રમે 100°C પર 55% થી ઘટીને 96°C પર 0% અને -64°C પર 20% થઈ ગઈ છે; ડિસ્ચાર્જ વોલ્ટેજ 3.11V થી 55°C પર ઘટ્યું. -2.62°C પર 20V સુધી ઘટો.

ઝિંગ એટ અલ. નેનોકાર્બન સાથે LiFePO4 ને સંશોધિત કર્યું અને જાણવા મળ્યું કે નેનોકાર્બન વાહક એજન્ટ ઉમેર્યા પછી, LiFePO4 નું વિદ્યુતરાસાયણિક પ્રદર્શન તાપમાન માટે ઓછું સંવેદનશીલ હતું, અને નીચા તાપમાનની કામગીરીમાં સુધારો થયો હતો; સંશોધિત LiFePO4 નું ડિસ્ચાર્જ વોલ્ટેજ 3.40 °CV પર 25 થી વધીને -3.09 °C પર 25V થઈ ગયું, માત્ર 9.12% નો ઘટાડો; અને -25°C પર તેની કોષ કાર્યક્ષમતા 57.3% છે, જે નેનો-કાર્બન વાહક એજન્ટ વિના 53.4% ​​કરતા વધારે છે.

તાજેતરમાં, LiMnPO4 એ ઘણો રસ ખેંચ્યો છે. અભ્યાસમાં જાણવા મળ્યું છે કે LiMnPO4 ઉચ્ચ સંભવિત (4.1V), કોઈ પ્રદૂષણ, ઓછી કિંમત અને મોટી ચોક્કસ ક્ષમતા (170mAh/g) ના ફાયદા ધરાવે છે. જો કે, LiFePO4 કરતાં LiMnPO4 ની ઓછી આયનીય વાહકતાને લીધે, Fe નો ઉપયોગ વ્યવહારમાં LiMn0.8Fe0.2PO4 ઘન સોલ્યુશન બનાવવા માટે Mn ને આંશિક રીતે બદલવા માટે થાય છે.

લિથિયમ આયન બેટરી માટે એનોડ સામગ્રીના નીચા તાપમાન ગુણધર્મો

હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીની તુલનામાં, લિથિયમ આયન બેટરીના નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીનું નીચું તાપમાન બગાડ વધુ ગંભીર છે, મુખ્યત્વે નીચેના ત્રણ કારણોસર:

નીચા તાપમાન અને ઊંચા દરે ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જ કરતી વખતે, બેટરીનું ગંભીર ધ્રુવીકરણ થાય છે, અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી પર મોટી માત્રામાં મેટલ લિથિયમ જમા થાય છે, અને મેટલ લિથિયમ અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટના પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદનમાં સામાન્ય રીતે વાહકતા હોતી નથી;

થર્મોડાયનેમિક દૃષ્ટિકોણથી, ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં મોટી સંખ્યામાં ધ્રુવીય જૂથો છે જેમ કે CO અને CN, જે નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી સાથે પ્રતિક્રિયા કરી શકે છે, અને રચાયેલી SEI ફિલ્મ નીચા તાપમાન માટે વધુ સંવેદનશીલ છે;

કાર્બન નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડને નીચા તાપમાને લિથિયમને ઇન્ટરકેલેટ કરવું મુશ્કેલ છે, અને ત્યાં અસમપ્રમાણ ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ છે.

ચિત્ર

નીચા તાપમાન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પર સંશોધન

ઇલેક્ટ્રોલાઇટ લિથિયમ-આયન બેટરીમાં Li+ ના પરિવહનની ભૂમિકા ભજવે છે, અને તેની આયનીય વાહકતા અને SEI ફિલ્મ-રચના ગુણધર્મો બેટરીના નીચા-તાપમાન પ્રદર્શન પર નોંધપાત્ર અસર કરે છે. નીચા-તાપમાન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના ગુણદોષને નક્કી કરવા માટે ત્રણ મુખ્ય સૂચકાંકો છે: આયનીય વાહકતા, ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ વિંડો અને ઇલેક્ટ્રોડ પ્રતિક્રિયાશીલતા. આ ત્રણ સૂચકોનું સ્તર તેના ઘટક પદાર્થો પર મોટી હદ સુધી આધાર રાખે છે: દ્રાવક, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (લિથિયમ મીઠું), અને ઉમેરણો. તેથી, બેટરીના નીચા તાપમાનના પ્રભાવને સમજવા અને સુધારવા માટે ઇલેક્ટ્રોલાઇટના દરેક ભાગના નીચા તાપમાનના પ્રદર્શન પર સંશોધન ખૂબ મહત્વ ધરાવે છે.

સાંકળ કાર્બોનેટની તુલનામાં, EC-આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના નીચા તાપમાનની લાક્ષણિકતાઓ, ચક્રીય કાર્બોનેટમાં કોમ્પેક્ટ માળખું, મોટી અભિનય શક્તિ અને ઉચ્ચ ગલનબિંદુ અને સ્નિગ્ધતા હોય છે. જો કે, રીંગ સ્ટ્રક્ચર દ્વારા લાવવામાં આવેલ મોટી ધ્રુવીયતા તેને ઘણી વખત વિશાળ ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક બનાવે છે. વિશાળ ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરતા, ઉચ્ચ આયનીય વાહકતા અને EC સોલવન્ટની ઉત્કૃષ્ટ ફિલ્મ-રચના ગુણધર્મો દ્રાવક પરમાણુઓના સહ-નિવેશને અસરકારક રીતે અટકાવે છે, તેમને અનિવાર્ય બનાવે છે. તેથી, સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી મોટાભાગની નીચા-તાપમાન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સિસ્ટમો EC પર આધારિત હોય છે, અને પછી નીચા ગલનબિંદુ સાથે નાના પરમાણુ દ્રાવકને મિશ્રિત કરવામાં આવે છે.

લિથિયમ મીઠું એ ઇલેક્ટ્રોલાઇટનું મહત્વનું ઘટક છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં રહેલું લિથિયમ મીઠું માત્ર દ્રાવણની આયનીય વાહકતાને જ સુધારી શકતું નથી, પરંતુ દ્રાવણમાં Li+ નું પ્રસરણ અંતર પણ ઘટાડી શકે છે. સામાન્ય રીતે, સોલ્યુશનમાં Li+ ની સાંદ્રતા જેટલી વધારે છે, આયનીય વાહકતા વધારે છે. જો કે, ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં લિથિયમ આયનોની સાંદ્રતા લિથિયમ ક્ષારની સાંદ્રતા સાથે રેખીય રીતે સંબંધિત નથી, પરંતુ પેરાબોલિક છે. આનું કારણ એ છે કે દ્રાવકમાં લિથિયમ આયનોની સાંદ્રતા દ્રાવકમાં લિથિયમ ક્ષારના વિયોજન અને જોડાણની શક્તિ પર આધારિત છે.

નીચા તાપમાન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પર સંશોધન

બેટરીની રચના ઉપરાંત, વાસ્તવિક કામગીરીમાં પ્રક્રિયાના પરિબળો પણ બેટરીના પ્રદર્શન પર મોટી અસર કરશે.
(1) તૈયારી પ્રક્રિયા. યાકુબ એટ અલ. LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite બેટરીના નીચા તાપમાન પ્રદર્શન પર ઇલેક્ટ્રોડ લોડ અને કોટિંગની જાડાઈની અસરનો અભ્યાસ કર્યો અને જાણવા મળ્યું કે ક્ષમતા જાળવી રાખવાની દ્રષ્ટિએ, ઇલેક્ટ્રોડ લોડ જેટલો નાનો અને કોટિંગ લેયર જેટલું પાતળું હશે તેટલું સારું. તાપમાન કામગીરી. .

(2) ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જની સ્થિતિ. પેટ્ઝલ એટ અલ. બેટરી ચક્ર જીવન પર ઓછા-તાપમાનની ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ સ્થિતિની અસરનો અભ્યાસ કર્યો, અને જાણવા મળ્યું કે જ્યારે ડિસ્ચાર્જની ઊંડાઈ મોટી હોય છે, ત્યારે તે વધુ ક્ષમતા ગુમાવશે અને ચક્ર જીવન ઘટાડશે.

(3) અન્ય પરિબળો. સપાટીનો વિસ્તાર, છિદ્રનું કદ, ઇલેક્ટ્રોડની ઘનતા, ઇલેક્ટ્રોડ અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટની ભીનાશ અને વિભાજક, વગેરે, આ બધું લિથિયમ-આયન બેટરીના નીચા-તાપમાન પ્રદર્શનને અસર કરે છે. વધુમાં, બેટરીના નીચા તાપમાનના પ્રભાવ પર સામગ્રી અને પ્રક્રિયાની ખામીઓના પ્રભાવને અવગણી શકાય નહીં.

સારાંશ

લિથિયમ-આયન બેટરીના નીચા તાપમાનની કામગીરીને સુનિશ્ચિત કરવા માટે, નીચેના મુદ્દાઓ કરવાની જરૂર છે:

(1) પાતળી અને ગાઢ SEI ફિલ્મ બનાવે છે;

(2) સુનિશ્ચિત કરો કે Li+ સક્રિય સામગ્રીમાં મોટા પ્રસરણ ગુણાંક ધરાવે છે;

(3) ઇલેક્ટ્રોલાઇટ નીચા તાપમાને ઉચ્ચ આયનીય વાહકતા ધરાવે છે.

આ ઉપરાંત, સંશોધન અન્ય પ્રકારની લિથિયમ-આયન બેટરી-ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ લિથિયમ-આયન બેટરીને જોવાનો બીજો રસ્તો પણ શોધી શકે છે. પરંપરાગત લિથિયમ-આયન બેટરીની તુલનામાં, ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ લિથિયમ-આયન બેટરીઓ, ખાસ કરીને ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ પાતળી-ફિલ્મ લિથિયમ-આયન બેટરી, જ્યારે બેટરીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે ત્યારે ક્ષમતાના ક્ષય અને સાયકલ સલામતીની સમસ્યાને સંપૂર્ણપણે હલ કરવાની અપેક્ષા રાખવામાં આવે છે. નીચા તાપમાન. c