लिथियम-आयन बॅटर्‍या बाजारात आल्यापासून, दीर्घायुष्य, मोठी विशिष्ट क्षमता आणि स्मरणशक्तीचा कोणताही प्रभाव नसल्यामुळे त्या मोठ्या प्रमाणावर वापरल्या जात आहेत. लिथियम-आयन बॅटरीच्या कमी तापमानाच्या वापरामध्ये कमी क्षमता, गंभीर क्षीणता, खराब सायकल दर कामगिरी, स्पष्ट लिथियम जमा होणे आणि असंतुलित लिथियम काढणे यासारख्या समस्या आहेत. तथापि, ऍप्लिकेशन फील्डच्या सतत विस्तारासह, लिथियम-आयन बॅटरीच्या खराब कमी-तापमान कार्यक्षमतेमुळे निर्माण होणारे अडथळे अधिकाधिक स्पष्ट होत आहेत.

अहवालानुसार, -20°C वर लिथियम-आयन बॅटरीची डिस्चार्ज क्षमता खोलीच्या तापमानाच्या फक्त 31.5% आहे. पारंपारिक लिथियम-आयन बॅटरीचे ऑपरेटिंग तापमान -20 आणि +55 डिग्री सेल्सियस दरम्यान असते. तथापि, एरोस्पेस, लष्करी उद्योग, इलेक्ट्रिक वाहने इत्यादी क्षेत्रात, बॅटरीला सामान्यपणे -40 डिग्री सेल्सियस तापमानात काम करणे आवश्यक आहे. म्हणून, ली-आयन बॅटरीचे कमी-तापमान गुणधर्म सुधारणे खूप महत्वाचे आहे.

ली-आयन बॅटरीच्या कमी तापमान कामगिरीवर प्रतिबंध करणारे घटक

कमी तापमानाच्या वातावरणात, इलेक्ट्रोलाइटची स्निग्धता वाढते आणि अगदी अंशतः घट्ट होते, परिणामी लिथियम-आयन बॅटरीची चालकता कमी होते.

इलेक्ट्रोलाइट आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड आणि विभाजक यांच्यातील सुसंगतता कमी तापमानाच्या वातावरणात खराब होते.

लिथियम-आयन बॅटरीच्या नकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये कमी तापमानाच्या वातावरणात गंभीर लिथियम पर्जन्य असते आणि अवक्षेपित धातू लिथियम इलेक्ट्रोलाइटवर प्रतिक्रिया देते आणि त्याचे उत्पादन जमा केल्यामुळे सॉलिड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस (SEI) ची जाडी वाढते.

कमी तापमानाच्या वातावरणात, सक्रिय पदार्थातील ली-आयन बॅटरीची प्रसार प्रणाली कमी होते आणि चार्ज ट्रान्सफर रेझिस्टन्स (Rct) लक्षणीय वाढते.

ली-आयन बॅटरीच्या कमी तापमान कामगिरीवर परिणाम करणाऱ्या घटकांवर चर्चा

तज्ञांचे मत 1: लिथियम-आयन बॅटरीच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेवर इलेक्ट्रोलाइटचा सर्वात मोठा प्रभाव असतो आणि इलेक्ट्रोलाइटची रचना आणि भौतिक-रासायनिक गुणधर्मांचा बॅटरीच्या कमी-तापमानाच्या कार्यक्षमतेवर महत्त्वपूर्ण प्रभाव पडतो. कमी तापमानात बॅटरीच्या चक्राला येणाऱ्या समस्या आहेत: इलेक्ट्रोलाइटची स्निग्धता वाढेल, आणि आयन वहन गती मंद होईल, परिणामी बाह्य सर्किटच्या इलेक्ट्रॉन स्थलांतर गतीशी जुळत नाही, त्यामुळे बॅटरीचे तीव्र ध्रुवीकरण होते, आणि चार्ज आणि डिस्चार्ज क्षमता झपाट्याने कमी होते. विशेषतः कमी तापमानात चार्ज करताना, लिथियम आयन सहजपणे नकारात्मक इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावर लिथियम डेंड्राइट्स तयार करतात, परिणामी बॅटरी अपयशी ठरते.

इलेक्ट्रोलाइटची कमी तापमानाची कार्यक्षमता इलेक्ट्रोलाइटच्या चालकतेच्या आकाराशी जवळून संबंधित आहे. उच्च चालकता असलेले इलेक्ट्रोलाइट आयन द्रुतपणे प्रसारित करतात आणि कमी तापमानात अधिक क्षमता वापरतात. इलेक्ट्रोलाइटमध्ये लिथियम मीठ जितके जास्त विलग होईल तितके स्थलांतरणाची संख्या जास्त आणि चालकता जास्त. विद्युत चालकता जितकी जास्त असेल तितकी आयन वहन दर जलद, कमी ध्रुवीकरण आणि कमी तापमानात बॅटरीची कार्यक्षमता तितकी चांगली. म्हणून, लिथियम-आयन बॅटरीची कमी-तापमानाची चांगली कामगिरी साध्य करण्यासाठी उच्च विद्युत चालकता ही एक आवश्यक अट आहे.

इलेक्ट्रोलाइटची चालकता इलेक्ट्रोलाइटच्या रचनेशी संबंधित आहे आणि विलायकाची चिकटपणा कमी करणे हा इलेक्ट्रोलाइटची चालकता सुधारण्याचा एक मार्ग आहे. कमी तापमानात सॉल्व्हेंटची चांगली तरलता ही आयन वाहतुकीची हमी असते आणि कमी तापमानात नकारात्मक इलेक्ट्रोडवर इलेक्ट्रोलाइटद्वारे तयार होणारी घन इलेक्ट्रोलाइट फिल्म देखील लिथियम आयनच्या वहनांवर परिणाम करण्याची गुरुकिल्ली आहे आणि RSEI हा मुख्य अडथळा आहे. कमी तापमानाच्या वातावरणात लिथियम आयन बॅटरीचे.

तज्ञ 2: लिथियम-आयन बॅटरीच्या कमी तापमानाच्या कामगिरीवर मर्यादा घालणारा मुख्य घटक म्हणजे SEI फिल्म नव्हे तर कमी तापमानात झपाट्याने वाढलेली Li+ प्रसार प्रतिरोधक क्षमता.

लिथियम आयन बॅटरीसाठी कॅथोड सामग्रीचे कमी तापमान गुणधर्म

1. स्तरित कॅथोड सामग्रीचे कमी तापमान गुणधर्म

स्तरित संरचनेत केवळ एक-आयामी लिथियम आयन प्रसार चॅनेलची अतुलनीय दर कामगिरी नाही तर त्रिमितीय चॅनेलची संरचनात्मक स्थिरता देखील आहे. लिथियम आयन बॅटरीसाठी ही सर्वात जुनी व्यावसायिक कॅथोड सामग्री आहे. त्याचे प्रतिनिधी पदार्थ LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 आणि Li(Ni, Co, Mn)O2 आणि असेच आहेत.

Xie Xiaohua et al. LiCoO2/MCMB हे संशोधन ऑब्जेक्ट म्हणून घेतले आणि त्याची कमी-तापमान चार्ज-डिस्चार्ज वैशिष्ट्ये तपासली.

परिणाम दर्शवितात की तापमान कमी झाल्यामुळे, डिस्चार्ज प्लॅटफॉर्म 3.762V (0°C) वरून 3.207V (–30°C) पर्यंत घसरतो; एकूण बॅटरी क्षमता देखील 78.98mAh (0°C) वरून 68.55mAh (–30°C) पर्यंत झपाट्याने कमी होते.

2. स्पिनल-स्ट्रक्चर्ड कॅथोड सामग्रीची कमी-तापमान वैशिष्ट्ये

स्पिनल स्ट्रक्चर LiMn2O4 कॅथोड सामग्रीमध्ये कमी किमतीचे आणि गैर-विषारीपणाचे फायदे आहेत कारण त्यात Co घटक नसतात.

तथापि, Mn ची व्हॅलेन्स परिवर्तनशीलता आणि Mn3+ च्या जॉन-टेलर प्रभावामुळे या घटकाची संरचनात्मक अस्थिरता आणि खराब उलटता येते.

पेंग झेंगशुन इत्यादी. वेगवेगळ्या तयारी पद्धतींचा LiMn2O4 कॅथोड मटेरियलच्या इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यक्षमतेवर मोठा प्रभाव असल्याचे निदर्शनास आणून दिले. उदाहरण म्हणून Rct घेणे: उच्च तापमान सॉलिड-फेज पद्धतीद्वारे संश्लेषित LiMn2O4 चे Rct सोल-जेल पद्धतीपेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त आहे आणि ही घटना लिथियम आयनमुळे प्रभावित होत नाही. प्रसार गुणांक देखील परावर्तित होतो. याचे कारण असे की विविध संश्लेषण पद्धतींचा उत्पादनांच्या स्फटिकता आणि आकारविज्ञानावर मोठा प्रभाव पडतो.

3. फॉस्फेट प्रणालीच्या कॅथोड सामग्रीची कमी तापमान वैशिष्ट्ये

उत्कृष्ट व्हॉल्यूम स्थिरता आणि सुरक्षिततेमुळे, LiFePO4, टर्नरी सामग्रीसह, सध्याच्या पॉवर बॅटरी कॅथोड सामग्रीचे मुख्य भाग बनले आहे. लिथियम आयरन फॉस्फेटची खराब कमी तापमान कामगिरी मुख्यत्वे कारण आहे की त्याची सामग्री स्वतःच एक इन्सुलेटर आहे, कमी इलेक्ट्रॉनिक चालकता, खराब लिथियम आयन डिफ्यूसिव्हिटी आणि कमी तापमानात खराब चालकता, ज्यामुळे बॅटरीची अंतर्गत प्रतिकारशक्ती वाढते, ज्याचा मोठ्या प्रमाणावर परिणाम होतो. ध्रुवीकरण, आणि बॅटरी चार्ज आणि डिस्चार्ज अडथळा आहेत. म्हणून, कमी तापमान कामगिरी आदर्श नाही.

कमी तापमानात LiFePO4 च्या चार्ज-डिस्चार्ज वर्तनाचा अभ्यास करताना, Gu Yijie et al. 100°C वर 55% वरून 96°C वर 0% आणि -64°C वर 20% वर अनुक्रमे कूलंबिक कार्यक्षमता घसरली आहे; डिस्चार्ज व्होल्टेज 3.11V वरून 55°C वर कमी झाले. -2.62°C वर 20V पर्यंत कमी करा.

झिंग वगैरे. नॅनोकार्बनसह LiFePO4 सुधारित केले आणि आढळले की नॅनोकार्बन प्रवाहकीय एजंट जोडल्यानंतर, LiFePO4 चे इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यप्रदर्शन तापमानास कमी संवेदनशील होते आणि कमी तापमानाची कार्यक्षमता सुधारली होती; सुधारित LiFePO4 चे डिस्चार्ज व्होल्टेज 3.40 °CV वर 25 वरून -3.09°C वर 25V पर्यंत वाढले, फक्त 9.12% ची घट; आणि -25°C वर त्याची सेल कार्यक्षमता 57.3% आहे, जी नॅनो-कार्बन प्रवाहकीय एजंटशिवाय 53.4% ​​पेक्षा जास्त आहे.

अलीकडे, LiMnPO4 ने खूप रस घेतला आहे. LiMnPO4 मध्ये उच्च क्षमता (4.1V), प्रदूषण नसणे, कमी किंमत आणि मोठी विशिष्ट क्षमता (170mAh/g) असे फायदे असल्याचे अभ्यासात आढळून आले आहे. तथापि, LiFePO4 पेक्षा LiMnPO4 ची कमी आयनिक चालकता असल्यामुळे, व्यवहारात LiMn0.8Fe0.2PO4 सॉलिड सोल्यूशन तयार करण्यासाठी Fe चा उपयोग Mn ला अंशतः बदलण्यासाठी केला जातो.

लिथियम आयन बॅटरीसाठी एनोड सामग्रीचे कमी तापमान गुणधर्म

पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरिअलच्या तुलनेत, लिथियम आयन बॅटरीच्या नकारात्मक इलेक्ट्रोड मटेरियलचे कमी तापमानात होणारे बिघाड अधिक गंभीर आहे, मुख्यतः खालील तीन कारणांमुळे:

कमी तापमानात आणि उच्च दराने चार्जिंग आणि डिस्चार्ज करताना, बॅटरीचे गंभीरपणे ध्रुवीकरण केले जाते आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावर मोठ्या प्रमाणात मेटल लिथियम जमा होते आणि मेटल लिथियम आणि इलेक्ट्रोलाइटच्या प्रतिक्रिया उत्पादनामध्ये सामान्यतः चालकता नसते;

थर्मोडायनामिक दृष्टिकोनातून, इलेक्ट्रोलाइटमध्ये CO आणि CN सारख्या मोठ्या संख्येने ध्रुवीय गट असतात, जे नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीसह प्रतिक्रिया देऊ शकतात आणि तयार झालेली SEI फिल्म कमी तापमानास अधिक संवेदनाक्षम असते;

कार्बन निगेटिव्ह इलेक्ट्रोडला कमी तापमानात लिथियम इंटरकॅलेट करणे कठीण आहे आणि तेथे असममित चार्ज आणि डिस्चार्ज आहे.

चित्र

कमी तापमानाच्या इलेक्ट्रोलाइटवर संशोधन

इलेक्ट्रोलाइट लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये Li+ वाहून नेण्याची भूमिका बजावते आणि त्याची आयनिक चालकता आणि SEI फिल्म-फॉर्मिंग गुणधर्मांचा बॅटरीच्या कमी-तापमानाच्या कामगिरीवर महत्त्वपूर्ण प्रभाव पडतो. कमी-तापमान इलेक्ट्रोलाइट्सच्या साधक आणि बाधकांचा न्याय करण्यासाठी तीन मुख्य निर्देशक आहेत: आयनिक चालकता, इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो आणि इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया. या तीन निर्देशकांची पातळी त्याच्या घटक पदार्थांवर मोठ्या प्रमाणात अवलंबून असते: सॉल्व्हेंट, इलेक्ट्रोलाइट (लिथियम मीठ) आणि ऍडिटीव्ह. त्यामुळे, बॅटरीच्या कमी तापमानाची कार्यक्षमता समजून घेण्यासाठी आणि सुधारण्यासाठी इलेक्ट्रोलाइटच्या प्रत्येक भागाच्या कमी तापमानाच्या कार्यक्षमतेवरील संशोधनाला खूप महत्त्व आहे.

साखळी कार्बोनेटच्या तुलनेत, EC-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्सची कमी तापमानाची वैशिष्ट्ये, चक्रीय कार्बोनेटमध्ये कॉम्पॅक्ट रचना, मोठी क्रियाशील शक्ती आणि उच्च वितळण्याचा बिंदू आणि चिकटपणा असतो. तथापि, रिंग स्ट्रक्चरद्वारे आणलेल्या मोठ्या ध्रुवीयतेमुळे बहुतेकदा मोठ्या डायलेक्ट्रिक स्थिरांक असतो. EC सॉल्व्हेंट्सचे मोठे डायलेक्ट्रिक स्थिरता, उच्च आयनिक चालकता आणि उत्कृष्ट फिल्म-फॉर्मिंग गुणधर्म प्रभावीपणे सॉल्व्हेंट रेणूंच्या सह-प्रवेशास प्रतिबंध करतात, त्यांना अपरिहार्य बनवतात. म्हणून, सामान्यतः वापरल्या जाणार्‍या कमी-तापमानाच्या इलेक्ट्रोलाइट प्रणाली EC वर आधारित असतात आणि नंतर कमी वितळण्याच्या बिंदूसह मिश्रित लहान रेणू सॉल्व्हेंट असतात.

लिथियम मीठ हा इलेक्ट्रोलाइटचा एक महत्त्वाचा घटक आहे. इलेक्ट्रोलाइटमधील लिथियम मीठ केवळ द्रावणाची आयनिक चालकता सुधारू शकत नाही तर द्रावणातील Li+ च्या प्रसाराचे अंतर देखील कमी करू शकते. सर्वसाधारणपणे, द्रावणात Li+ चे प्रमाण जितके जास्त असेल तितकी आयनिक चालकता जास्त असेल. तथापि, इलेक्ट्रोलाइटमधील लिथियम आयनची एकाग्रता लिथियम क्षारांच्या एकाग्रतेशी रेखीयपणे संबंधित नाही, परंतु पॅराबॉलिक आहे. याचे कारण असे की सॉल्व्हेंटमधील लिथियम आयनची एकाग्रता विद्रावकातील लिथियम क्षारांच्या पृथक्करण आणि संगतीवर अवलंबून असते.

कमी तापमानाच्या इलेक्ट्रोलाइटवर संशोधन

बॅटरीच्या स्वतःच्या रचना व्यतिरिक्त, वास्तविक ऑपरेशनमधील प्रक्रिया घटकांचा बॅटरीच्या कार्यक्षमतेवर देखील मोठा प्रभाव पडेल.
(1) तयारी प्रक्रिया. याकूब वगैरे. LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite बॅटरीच्या कमी तापमानाच्या कामगिरीवर इलेक्ट्रोड लोड आणि कोटिंग जाडीच्या प्रभावाचा अभ्यास केला आणि असे आढळले की क्षमता टिकवून ठेवण्याच्या दृष्टीने, इलेक्ट्रोडचा भार जितका लहान असेल आणि कोटिंगचा थर पातळ असेल तितका कमी होईल. तापमान कामगिरी. .

(2) चार्ज आणि डिस्चार्जची स्थिती. Petzl et al. कमी-तापमानाच्या चार्ज-डिस्चार्ज अवस्थेचा बॅटरी सायकलच्या आयुष्यावरील परिणामाचा अभ्यास केला आणि असे आढळले की जेव्हा डिस्चार्जची खोली जास्त असते, तेव्हा ते जास्त क्षमतेचे नुकसान करते आणि सायकलचे आयुष्य कमी करते.

(3) इतर घटक. पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ, छिद्र आकार, इलेक्ट्रोडची घनता, इलेक्ट्रोड आणि इलेक्ट्रोलाइटची ओलेपणा, आणि विभाजक, इत्यादी सर्व लिथियम-आयन बॅटरीच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेवर परिणाम करतात. याव्यतिरिक्त, बॅटरीच्या कमी तापमानाच्या कामगिरीवर सामग्री आणि प्रक्रियेतील दोषांचा प्रभाव दुर्लक्षित केला जाऊ शकत नाही.

सारांश

लिथियम-आयन बॅटरीची कमी तापमान कामगिरी सुनिश्चित करण्यासाठी, खालील गोष्टी करणे आवश्यक आहे:

(1) एक पातळ आणि दाट SEI फिल्म तयार करा;

(2) सक्रिय सामग्रीमध्ये Li+ मध्ये मोठ्या प्रमाणात प्रसार गुणांक असल्याची खात्री करा;

(३) इलेक्ट्रोलाइटमध्ये कमी तापमानात उच्च आयनिक चालकता असते.

याव्यतिरिक्त, संशोधन लिथियम-आयन बॅटरी-ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम-आयन बॅटरीचा दुसरा प्रकार पाहण्याचा दुसरा मार्ग देखील शोधू शकतो. पारंपारिक लिथियम-आयन बॅटरीच्या तुलनेत, सर्व-सॉलिड-स्टेट लिथियम-आयन बॅटरी, विशेषत: ऑल-सॉलिड-स्टेट पातळ-फिल्म लिथियम-आयन बॅटऱ्या, जेव्हा बॅटरी वापरल्या जातात तेव्हा क्षमता क्षय आणि सायकल सुरक्षिततेची समस्या पूर्णपणे सोडवण्याची अपेक्षा केली जाते. कमी तापमान. c