Sejak baterai lithium-ion memasuki pasar, mereka telah digunakan secara luas karena keunggulannya dalam masa pakai yang lama, kapasitas spesifik yang besar, dan tidak ada efek memori. Penggunaan suhu rendah baterai lithium-ion memiliki masalah seperti kapasitas rendah, redaman serius, kinerja tingkat siklus yang buruk, deposisi lithium yang jelas, dan ekstraksi lithium yang tidak seimbang. Namun, dengan perluasan bidang aplikasi yang berkelanjutan, kendala yang disebabkan oleh kinerja baterai lithium-ion yang buruk pada suhu rendah menjadi semakin jelas.

Menurut laporan, kapasitas pelepasan baterai lithium-ion pada -20°C hanya sekitar 31.5% dari pada suhu kamar. Suhu pengoperasian baterai lithium-ion tradisional adalah antara -20 dan +55 °C. Namun, di bidang kedirgantaraan, industri militer, kendaraan listrik, dll., baterai diperlukan untuk bekerja secara normal pada -40 ° C. Oleh karena itu, sangat penting untuk meningkatkan sifat suhu rendah baterai Li-ion.

Faktor yang Membatasi Kinerja Baterai Li-ion Suhu Rendah

Dalam lingkungan suhu rendah, viskositas elektrolit meningkat dan bahkan sebagian mengeras, mengakibatkan penurunan konduktivitas baterai lithium-ion.

Kompatibilitas antara elektrolit dan elektroda negatif dan pemisah menjadi buruk di lingkungan suhu rendah.

Elektroda negatif baterai lithium-ion memiliki pengendapan lithium yang serius di bawah lingkungan suhu rendah, dan logam lithium yang diendapkan bereaksi dengan elektrolit, dan deposisi produknya menyebabkan peningkatan ketebalan antarmuka elektrolit padat (SEI).

Dalam lingkungan suhu rendah, sistem difusi baterai Li-ion dalam bahan aktif menurun, dan resistansi transfer muatan (Rct) meningkat secara signifikan.

Diskusi tentang Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kinerja Suhu Rendah Baterai Li-ion

Pendapat ahli 1: Elektrolit memiliki dampak terbesar pada kinerja suhu rendah baterai lithium-ion, dan komposisi serta sifat fisikokimia elektrolit memiliki dampak penting pada kinerja suhu rendah baterai. Masalah yang dihadapi oleh siklus baterai pada suhu rendah adalah: viskositas elektrolit akan meningkat, dan kecepatan konduksi ion akan menjadi lebih lambat, mengakibatkan ketidaksesuaian kecepatan migrasi elektron dari sirkuit eksternal, sehingga baterai sangat terpolarisasi, dan kapasitas pengisian dan pengosongan berkurang tajam. Terutama saat mengisi daya pada suhu rendah, ion litium dengan mudah membentuk dendrit litium pada permukaan elektroda negatif, yang mengakibatkan kegagalan baterai.

Kinerja suhu rendah dari elektrolit erat kaitannya dengan ukuran konduktivitas dari elektrolit itu sendiri. Elektrolit dengan konduktivitas tinggi mentransmisikan ion dengan cepat dan dapat mengerahkan lebih banyak kapasitas pada suhu rendah. Semakin banyak garam litium terdisosiasi dalam elektrolit, semakin tinggi jumlah migrasi dan semakin tinggi konduktivitasnya. Semakin tinggi konduktivitas listrik, semakin cepat laju konduksi ion, semakin sedikit polarisasi, dan semakin baik kinerja baterai pada suhu rendah. Oleh karena itu, konduktivitas listrik yang lebih tinggi adalah kondisi yang diperlukan untuk mencapai kinerja suhu rendah yang baik dari baterai lithium-ion.

Konduktivitas elektrolit berkaitan dengan komposisi elektrolit, dan mengurangi viskositas pelarut adalah salah satu cara untuk meningkatkan konduktivitas elektrolit. Fluiditas pelarut yang baik pada suhu rendah adalah jaminan transportasi ion, dan film elektrolit padat yang dibentuk oleh elektrolit pada elektroda negatif pada suhu rendah juga merupakan kunci untuk mempengaruhi konduksi ion lithium, dan RSEI adalah impedansi utama baterai lithium ion di lingkungan suhu rendah.

Pakar 2: Faktor utama yang membatasi kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah adalah resistensi difusi Li+ yang meningkat tajam pada suhu rendah, bukan film SEI.

Sifat suhu rendah dari bahan katoda untuk baterai lithium ion

1. Sifat suhu rendah dari bahan katoda berlapis

Struktur berlapis tidak hanya memiliki kinerja laju yang tak tertandingi dari saluran difusi ion lithium satu dimensi, tetapi juga memiliki stabilitas struktural saluran tiga dimensi. Ini adalah bahan katoda komersial paling awal untuk baterai lithium ion. Zat perwakilannya adalah LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 dan Li(Ni, Co, Mn)O2 dan seterusnya.

Xie Xiaohua dkk. mengambil LiCoO2/MCMB sebagai objek penelitian dan menguji karakteristik charge-discharge suhu rendah.

Hasilnya menunjukkan bahwa dengan penurunan suhu, platform pelepasan turun dari 3.762V (0 °C) menjadi 3.207V (–30°C); total kapasitas baterai juga menurun tajam dari 78.98mA·h (0 °C) menjadi 68.55mA·h (–30°C).

2. Karakteristik suhu rendah dari bahan katoda berstruktur spinel

Bahan katoda LiMn2O4 struktur spinel memiliki keunggulan biaya rendah dan tidak beracun karena tidak mengandung unsur Co.

Namun, variabilitas valensi Mn dan efek Jahn-Teller dari Mn3+ menyebabkan ketidakstabilan struktural dan reversibilitas yang buruk dari komponen ini.

Peng Zhengshun dkk. menunjukkan bahwa metode preparasi yang berbeda memiliki pengaruh besar pada kinerja elektrokimia bahan katoda LiMn2O4. Mengambil Rct sebagai contoh: Rct dari LiMn2O4 yang disintesis dengan metode fase padat suhu tinggi secara signifikan lebih tinggi daripada metode sol-gel, dan fenomena ini tidak terpengaruh oleh ion litium. Koefisien difusi juga tercermin. Alasannya adalah bahwa metode sintesis yang berbeda memiliki pengaruh besar pada kristalinitas dan morfologi produk.

3. Karakteristik suhu rendah dari bahan katoda sistem fosfat

Karena stabilitas volume dan keamanannya yang sangat baik, LiFePO4, bersama dengan bahan terner, telah menjadi bahan utama bahan katoda baterai daya saat ini. Kinerja suhu rendah lithium besi fosfat yang buruk terutama karena bahannya sendiri adalah isolator, dengan konduktivitas elektronik rendah, difusivitas ion lithium yang buruk, dan konduktivitas yang buruk pada suhu rendah, yang meningkatkan resistansi internal baterai, yang sangat dipengaruhi oleh polarisasi, dan pengisian dan pengosongan baterai terhambat. Oleh karena itu, Kinerja suhu rendah tidak ideal.

Ketika mempelajari perilaku charge-discharge LiFePO4 pada suhu rendah, Gu Yijie et al. menemukan bahwa efisiensi coulombiknya turun dari 100% pada 55°C menjadi 96% pada 0°C dan 64% pada -20°C, berturut-turut; tegangan pelepasan menurun dari 3.11V pada 55 °C. Turunkan ke 2.62V pada –20°C.

Xing dkk. memodifikasi LiFePO4 dengan nanokarbon dan menemukan bahwa setelah menambahkan agen konduktif nanokarbon, kinerja elektrokimia LiFePO4 kurang sensitif terhadap suhu, dan kinerja suhu rendah ditingkatkan; tegangan luahan LiFePO4 termodifikasi meningkat dari 3.40 pada 25 °CV turun menjadi 3.09V pada –25 °C, penurunan hanya 9.12%; dan efisiensi selnya pada –25 °C adalah 57.3%, yang lebih tinggi dari 53.4% tanpa agen konduktif nano-karbon.

Baru-baru ini, LiMnPO4 telah menarik banyak minat. Studi ini menemukan bahwa LiMnPO4 memiliki keunggulan potensi tinggi (4.1V), tidak ada polusi, harga rendah, dan kapasitas spesifik yang besar (170mAh/g). Namun, karena konduktivitas ionik LiMnPO4 lebih rendah daripada LiFePO4, Fe sering digunakan untuk menggantikan sebagian Mn untuk membentuk larutan padat LiMn0.8Fe0.2PO4 dalam praktiknya.

Sifat suhu rendah dari bahan anoda untuk baterai lithium ion

Dibandingkan dengan bahan elektroda positif, kerusakan suhu rendah bahan elektroda negatif baterai lithium ion lebih serius, terutama karena tiga alasan berikut:

Saat pengisian dan pemakaian pada suhu rendah dan kecepatan tinggi, baterai terpolarisasi serius, dan sejumlah besar lithium logam disimpan di permukaan elektroda negatif, dan produk reaksi lithium logam dan elektrolit umumnya tidak memiliki konduktivitas;

Dari sudut pandang termodinamika, elektrolit mengandung sejumlah besar gugus polar seperti CO dan CN, yang dapat bereaksi dengan bahan elektroda negatif, dan film SEI yang terbentuk lebih rentan terhadap suhu rendah;

Elektroda negatif karbon sulit untuk menginterkalasi lithium pada suhu rendah, dan ada muatan dan pelepasan asimetris.

gambar

Penelitian tentang Elektrolit Suhu Rendah

Elektrolit memainkan peran mengangkut Li+ dalam baterai lithium-ion, dan konduktivitas ioniknya serta sifat pembentuk film SEI memiliki dampak signifikan pada kinerja baterai pada suhu rendah. Ada tiga indikator utama untuk menilai pro dan kontra dari elektrolit suhu rendah: konduktivitas ionik, jendela elektrokimia dan reaktivitas elektroda. Tingkat ketiga indikator ini sangat tergantung pada bahan penyusunnya: pelarut, elektrolit (garam lithium), dan aditif. Oleh karena itu, penelitian tentang kinerja suhu rendah dari setiap bagian elektrolit sangat penting untuk memahami dan meningkatkan kinerja suhu rendah baterai.

Dibandingkan dengan karbonat rantai, karakteristik suhu rendah dari elektrolit berbasis EC, karbonat siklik memiliki struktur yang kompak, gaya kerja yang besar, dan titik leleh dan viskositas yang lebih tinggi. Namun, polaritas besar yang dibawa oleh struktur cincin membuatnya sering memiliki konstanta dielektrik yang besar. Konstanta dielektrik yang besar, konduktivitas ionik yang tinggi, dan sifat pembentuk film yang sangat baik dari pelarut EC secara efektif mencegah penyisipan bersama molekul pelarut, membuatnya sangat diperlukan. Oleh karena itu, sebagian besar sistem elektrolit suhu rendah yang umum digunakan didasarkan pada EC, dan kemudian dicampur pelarut molekul kecil dengan titik leleh rendah.

Garam litium merupakan komponen penting dari elektrolit. Garam litium dalam elektrolit tidak hanya dapat meningkatkan konduktivitas ionik larutan, tetapi juga mengurangi jarak difusi Li+ dalam larutan. Secara umum, semakin besar konsentrasi Li+ dalam larutan, semakin besar konduktivitas ioniknya. Namun, konsentrasi ion litium dalam elektrolit tidak berbanding lurus dengan konsentrasi garam litium, tetapi bersifat parabola. Hal ini karena konsentrasi ion litium dalam pelarut bergantung pada kekuatan disosiasi dan asosiasi garam litium dalam pelarut.

Penelitian tentang Elektrolit Suhu Rendah

Selain komposisi baterai itu sendiri, faktor proses dalam pengoperasian yang sebenarnya juga akan berdampak besar pada kinerja baterai.
(1) Proses persiapan. Yaqub dkk. mempelajari pengaruh beban elektroda dan ketebalan lapisan pada kinerja suhu rendah baterai LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite dan menemukan bahwa dalam hal retensi kapasitas, semakin kecil beban elektroda dan semakin tipis lapisan pelapis, semakin baik rendah kinerja suhu. .

(2) Status pengisian dan pengosongan. Petzl dkk. mempelajari pengaruh status pengisian-pengosongan suhu rendah pada masa pakai baterai, dan menemukan bahwa ketika kedalaman pengosongan besar, itu akan menyebabkan kehilangan kapasitas yang lebih besar dan mengurangi masa pakai.

(3) Faktor lainnya. Luas permukaan, ukuran pori, kerapatan elektroda, keterbasahan elektroda dan elektrolit, dan pemisah, dll., semuanya memengaruhi kinerja suhu rendah baterai lithium-ion. Selain itu, pengaruh cacat material dan proses pada kinerja suhu rendah baterai tidak dapat diabaikan.

Meringkaskan

Untuk memastikan kinerja suhu rendah baterai lithium-ion, hal-hal berikut perlu dilakukan:

(1) Membentuk film SEI yang tipis dan padat;

(2) Pastikan bahwa Li+ memiliki koefisien difusi yang besar dalam bahan aktif;

(3) Elektrolit memiliki konduktivitas ionik yang tinggi pada suhu rendah.

Selain itu, penelitian juga dapat menemukan cara lain untuk melihat jenis lain dari baterai lithium-ion-semua-baterai lithium-ion solid-state. Dibandingkan dengan baterai lithium-ion konvensional, baterai lithium-ion all-solid-state, terutama baterai lithium-ion film-tipis all-solid-state, diharapkan dapat sepenuhnya memecahkan masalah kerusakan kapasitas dan keamanan siklus ketika baterai digunakan di suhu rendah. C