Лити-ион батерейнууд зах зээлд нэвтэрснээс хойш удаан эдэлгээтэй, тусгай хүчин чадал ихтэй, санах ойд ямар ч нөлөө үзүүлдэггүй зэрэг давуу талуудтай тул өргөн хэрэглэгддэг. Лити-ион батерейг бага температурт ашиглах нь хүчин чадал багатай, ноцтой унтарсан, мөчлөгийн хурд муутай, илт литийн хуримтлал, тэнцвэргүй литийн олборлолт зэрэг асуудлуудтай байдаг. Гэсэн хэдий ч хэрэглээний талбарууд тасралтгүй өргөжиж байгаа тул лити-ион батерейны бага температурын гүйцэтгэл муу байгаагаас үүдэлтэй хязгаарлалтууд улам бүр тодорхой болж байна.

Мэдээллийн дагуу литий-ион батерейны цэнэг -20 хэмд өрөөний температурын 31.5% орчим байдаг. Уламжлалт лити-ион батерейны ажиллах температур -20-аас +55 ° C хооронд байна. Харин сансар огторгуй, цэргийн үйлдвэр, цахилгаан машин гэх мэт салбарт батерей нь -40°С-т хэвийн ажиллах шаардлагатай байдаг. Тиймээс ли-ион батерейны бага температурын шинж чанарыг сайжруулах нь маш чухал юм.

Ли-ион батерейны бага температурын гүйцэтгэлийг хязгаарлаж буй хүчин зүйлүүд

Бага температурт электролитийн зуурамтгай чанар нэмэгдэж, бүр хэсэгчлэн хатуурч, лити-ион батерейны цахилгаан дамжуулах чанар буурдаг.

Бага температурт электролит ба сөрөг электрод ба тусгаарлагчийн хоорондын нийцэмж муу болно.

Лити-ион батерейны сөрөг электрод нь бага температурт литийн хур тунадас ихтэй байдаг бөгөөд тунадасжсан металлын лити нь электролиттэй урвалд ордог бөгөөд түүний бүтээгдэхүүний хуримтлал нь хатуу-электролитийн интерфейс (SEI) зузаан нэмэгдэхэд хүргэдэг.

Бага температурт идэвхтэй материал дахь Li-ион батерейны тархалтын систем буурч, цэнэгийн дамжуулалтын эсэргүүцэл (Rct) мэдэгдэхүйц нэмэгддэг.

Ли-ион батерейны бага температурт нөлөөлж буй хүчин зүйлсийн талаархи хэлэлцүүлэг

Шинжээчдийн дүгнэлт 1: Лити-ион батерейны бага температурт электролит хамгийн их нөлөө үзүүлдэг ба электролитийн найрлага, физик-химийн шинж чанар нь бага температурт ажиллахад чухал нөлөө үзүүлдэг. Бага температурт батерейны эргэлтэнд тулгардаг бэрхшээлүүд нь: электролитийн зуурамтгай чанар нэмэгдэж, ионы дамжуулалтын хурд удааширч, улмаар гадаад хэлхээний электрон шилжих хурд таарахгүй байх тул зай нь туйлширч, мөн цэнэглэх ба цэнэгийн хүчин чадал эрс багассан. Ялангуяа бага температурт цэнэглэх үед литийн ионууд сөрөг электродын гадаргуу дээр литийн дендрит үүсгэдэг бөгөөд энэ нь зайны эвдрэлд хүргэдэг.

Электролитийн бага температурт ажиллах чадвар нь электролитийн дамжуулалтын хэмжээтэй нягт холбоотой байдаг. Өндөр дамжуулалттай электролит нь ионуудыг хурдан дамжуулдаг бөгөөд бага температурт илүү их хүчин чадалтай байдаг. Электролит дэх литийн давс их хэмжээгээр задрах тусам шилжилт хөдөлгөөн ихсэх ба цахилгаан дамжуулах чанар төдий чинээ өндөр байна. Цахилгаан дамжуулах чанар өндөр байх тусам ионы дамжуулалтын хурд хурдан, туйлшрал багасч, бага температурт батерейны гүйцэтгэл сайжирна. Тиймээс литийн ион батерейг бага температурт сайн ажиллуулахын тулд илүү өндөр цахилгаан дамжуулах чанар нь зайлшгүй шаардлагатай нөхцөл юм.

Электролитийн дамжуулалт нь электролитийн найрлагатай холбоотой бөгөөд уусгагчийн зуурамтгай чанарыг бууруулах нь электролитийн дамжуулалтыг сайжруулах арга замуудын нэг юм. Бага температурт уусгагчийн сайн шингэн байх нь ионы тээвэрлэлтийн баталгаа бөгөөд бага температурт сөрөг электрод дахь электролитээс үүссэн хатуу электролитийн хальс нь литийн ионуудын дамжуулалтад нөлөөлөх гол түлхүүр бөгөөд RSEI нь гол эсэргүүцэл юм. бага температуртай орчинд литийн ион батерейны .

Мэргэжилтэн 2: Лити-ион батерейны бага температурт ажиллах чадварыг хязгаарлаж буй гол хүчин зүйл бол SEI хальс биш харин бага температурт Li+ тархалтын эсэргүүцэл огцом нэмэгдсэн явдал юм.

Лити ион батерейны катодын материалын бага температурын шинж чанар

1. Давхаргатай катодын материалын бага температурын шинж чанар

Давхаргатай бүтэц нь зөвхөн нэг хэмжээст литийн ионы тархалтын сувгийн харьцуулашгүй хурдны гүйцэтгэлтэй төдийгүй гурван хэмжээст сувгийн бүтцийн тогтвортой байдлыг хангадаг. Энэ нь лити-ион батерейны хамгийн эртний арилжааны катодын материал юм. Түүний төлөөлөгч бодисууд нь LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 ба Li(Ni, Co, Mn)O2 гэх мэт.

Xie Xiaohua нар. LiCoO2/MCMB-г судалгааны объект болгон авч, бага температурт цэнэглэх-усгах шинж чанарыг туршсан.

Үр дүнгээс харахад температур буурах тусам цэнэгийн цэнэгийн түвшин 3.762V (0°C) -аас 3.207V (–30°C) хүртэл буурдаг; батерейны нийт багтаамж мөн 78.98 мА·цаг (0°C)-аас 68.55mA·h (–30°C) болж огцом буурдаг.

2. Спинель бүтэцтэй катодын материалын бага температурын шинж чанар

Шпинель бүтэцтэй LiMn2O4 катодын материал нь Co элемент агуулаагүй тул өртөг багатай, хоргүй сайн талтай.

Гэсэн хэдий ч Mn-ийн валентын хувьсах чадвар ба Mn3+-ийн Жан-Теллерийн эффект нь энэ бүрэлдэхүүн хэсгийн бүтцийн тогтворгүй байдал, буцах чадвар мууд хүргэдэг.

Пэн Жэншун нар. бэлтгэх янз бүрийн аргууд нь LiMn2O4 катодын материалын цахилгаан химийн үзүүлэлтэд ихээхэн нөлөөлдөг болохыг онцолсон. Rct-ийг жишээ болгон авч үзвэл: Өндөр температурт хатуу фазын аргаар нийлэгжүүлсэн LiMn2O4-ийн Rct нь золь-гелийн аргынхаас хамаагүй өндөр бөгөөд энэ үзэгдэлд литийн ионууд нөлөөлдөггүй. Мөн тархалтын коэффициентийг тусгасан болно. Үүний шалтгаан нь янз бүрийн синтезийн аргууд нь бүтээгдэхүүний талст чанар, морфологид ихээхэн нөлөөлдөг.

3. Фосфатын системийн катодын материалын бага температурын шинж чанар

Маш сайн эзэлхүүний тогтвортой байдал, аюулгүй байдлын улмаас LiFePO4 нь гурвалсан материалуудын хамт одоогийн цахилгаан батерейны катодын материалын гол хэсэг болсон. Лити төмрийн фосфатын бага температурт ажиллах чадвар муу нь голчлон түүний материал нь электрон дамжуулалт багатай, литийн ионы тархалт муу, бага температурт дамжуулах чанар муутай тусгаарлагч учраас батерейны дотоод эсэргүүцлийг ихэсгэдэг бөгөөд үүнд ихээхэн нөлөөлдөг. туйлшрал, батерейны цэнэг, цэнэггүй байдалд саад учруулдаг. Тиймээс бага температур Гүйцэтгэл нь тийм ч тохиромжтой биш юм.

Бага температурт LiFePO4-ийн цэнэгийн цэнэгийг судлахдаа Gu Yijie нар. түүний куломын үр ашиг 100 ° C-д 55% -аас 96 ° C-д 0%, -64 ° C-д 20% хүртэл буурсан болохыг олж мэдсэн; гадагшлуулах хүчдэл 3.11°С-д 55V-ээс буурсан. -2.62°C-д 20V хүртэл бууруулна.

Xing нар. LiFePO4-ийг нанокарбоноор өөрчилсөн ба нанокарбон дамжуулагч бодисыг нэмсний дараа LiFePO4-ийн цахилгаан химийн үзүүлэлт температурт бага мэдрэмтгий болж, бага температурын үзүүлэлт сайжирсан болохыг олж мэдсэн; өөрчилсөн LiFePO4-ийн цэнэгийн хүчдэл 3.40 ° CV-т 25-аас буурч -3.09 ° C-д 25 В хүртэл нэмэгдэж, ердөө 9.12% буурсан; Түүний эсийн үр ашиг -25 ° C-д 57.3% байгаа нь нано-нүүрстөрөгчийн дамжуулагч бодисгүйгээр 53.4% ​​-иас өндөр байна.

Сүүлийн үед LiMnPO4 олны сонирхлыг татаж байна. Судалгаагаар LiMnPO4 нь өндөр потенциал (4.1V), бохирдолгүй, хямд үнэ, том хувийн багтаамж (170mAh/g) зэрэг давуу талтай болохыг тогтоожээ. Гэвч LiMnPO4-ийн ионы дамжуулалт LiFePO4-ээс бага байдаг тул практикт Fe-ийг Mn-ийг хэсэгчлэн орлуулахын тулд LiMn0.8Fe0.2PO4 хатуу уусмал үүсгэдэг.

Лити-ион батерейны анодын материалын бага температурын шинж чанар

Эерэг электродын материалтай харьцуулахад литийн ион батерейны сөрөг электродын материалын бага температурт муудах нь дараахь гурван шалтгааны улмаас илүү ноцтой юм.

Бага температур, өндөр хурдаар цэнэглэх, цэнэглэх үед зай нь ноцтой туйлширч, сөрөг электродын гадаргуу дээр их хэмжээний металл литий хуримтлагддаг бөгөөд металлын лити ба электролитийн урвалын бүтээгдэхүүн нь ерөнхийдөө цахилгаан дамжуулах чанаргүй байдаг;

Термодинамикийн үүднээс авч үзвэл электролит нь сөрөг электродын материалтай урвалд орж болох CO ба CN зэрэг олон тооны туйлын бүлгүүдийг агуулдаг бөгөөд үүссэн SEI хальс нь бага температурт илүү өртөмтгий байдаг;

Нүүрстөрөгчийн сөрөг электрод нь бага температурт литийг хооронд нь холбоход хэцүү бөгөөд тэгш бус цэнэг, цэнэггүй байдаг.

зураг

Бага температурт электролитийн судалгаа

Электролит нь лити-ион батерейнд Li+-г зөөвөрлөх үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд түүний ионы дамжуулалт болон SEI хальс үүсгэх шинж чанар нь батерейны бага температурт ажиллахад чухал нөлөө үзүүлдэг. Бага температурт электролитийн давуу болон сул талуудыг үнэлэх гурван үндсэн үзүүлэлт байдаг: ионы дамжуулалт, цахилгаан химийн цонх, электродын урвал. Эдгээр гурван үзүүлэлтийн түвшин нь түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс ихээхэн хамаардаг: уусгагч, электролит (литийн давс), нэмэлт бодис. Тиймээс электролитийн хэсэг бүрийн бага температурын гүйцэтгэлийн талаархи судалгаа нь батерейны бага температурт ажиллах чадварыг ойлгох, сайжруулахад ихээхэн ач холбогдолтой юм.

Гинжин карбонатуудтай харьцуулахад EC-д суурилсан электролитийн бага температурын шинж чанар, цикл карбонатууд нь нягт бүтэцтэй, том ажиллах хүч, хайлах цэг, зуурамтгай чанар өндөртэй байдаг. Гэсэн хэдий ч цагирагны бүтцээс авчирсан том туйлшрал нь ихэвчлэн том диэлектрик тогтмол байдаг. Их хэмжээний диэлектрик тогтмол, өндөр ионы дамжуулалт, EC уусгагч маш сайн хальс үүсгэх шинж чанар нь уусгагч молекулуудыг хамт оруулахаас үр дүнтэй сэргийлж, тэдгээрийг зайлшгүй шаардлагатай болгодог. Тиймээс ихэвчлэн ашиглагддаг бага температурт электролитийн системүүдийн ихэнх нь EC, дараа нь бага хайлах цэгтэй холилдсон жижиг молекулын уусгагч дээр суурилдаг.

Лити давс нь электролитийн чухал бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Электролит дэх литийн давс нь уусмалын ионы дамжуулалтыг сайжруулаад зогсохгүй уусмал дахь Li+-ийн тархалтын зайг багасгадаг. Ерөнхийдөө уусмал дахь Li+-ийн концентраци их байх тусам ионы дамжуулалт их болно. Гэсэн хэдий ч электролит дахь литийн ионы концентраци нь литийн давсны концентрацитай шугаман хамааралгүй, харин параболик шинж чанартай байдаг. Учир нь уусгагч дахь литийн ионуудын концентраци нь уусгагч дахь литийн давсуудын диссоциаци ба нэгдлийн хүчээс хамаардаг.

Бага температурт электролитийн судалгаа

Батерейны бүтцээс гадна бодит үйл ажиллагааны процессын хүчин зүйлүүд нь батерейны гүйцэтгэлд ихээхэн нөлөөлнө.
(1) Бэлтгэл үйл явц. Якуб нар. LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Графит батерейны бага температурт электродын ачаалал, бүрэх зузаан нөлөөллийг судалж үзээд багтаамжийн хувьд электродын ачаалал бага, бүрэх давхарга нимгэн байх тусмаа намхан байх тусмаа сайн болохыг тогтоожээ. температурын гүйцэтгэл. .

(2) Цэнэглэх, цэнэггүй болгох байдал. Петцл нар. бага температурт цэнэглэх цэнэггүй байдлын төлөвийн батерейны ашиглалтын хугацаанд үзүүлэх нөлөөг судалж, цэнэгийн гүн их байх үед энэ нь хүчин чадлын илүү их алдагдалд хүргэж, мөчлөгийн ашиглалтыг бууруулдаг болохыг олж мэдсэн.

(3) Бусад хүчин зүйлүүд. Гадаргуугийн талбай, нүх сүвний хэмжээ, электродын нягтрал, электрод ба электролитийн чийгшүүлэх чадвар, тусгаарлагч зэрэг нь лити-ион батерейны бага температурт нөлөөлдөг. Нэмж дурдахад, батерейны бага температурт үзүүлэх материалын болон технологийн согогийн нөлөөг үл тоомсорлож болохгүй.

дүгнэх

Лити-ион батерейны бага температурт ажиллахын тулд дараахь зүйлийг хийх шаардлагатай.

(1) Нимгэн, нягт SEI хальс үүсгэх;

(2) Идэвхтэй материалд Li+ нь их хэмжээний тархалтын коэффициенттэй байгаа эсэхийг шалгах;

(3) Электролит нь бага температурт өндөр ионы дамжуулалттай байдаг.

Нэмж дурдахад судалгаа нь өөр төрлийн литийн ион батерей-бүх хатуу төлөвт лити-ион батерейг судлах өөр аргыг олох боломжтой. Ердийн лити-ион батерейтай харьцуулахад бүх хатуу төлөвт литий-ион батерейнууд, ялангуяа бүх хатуу төлөвт нимгэн хальсан лити-ион батерейнууд нь батерейг ашиглах үед хүчин чадал муудах, мөчлөгийн аюулгүй байдлын асуудлыг бүрэн шийдэх болно. бага температур. в