लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू बजारमा प्रवेश गरेदेखि, तिनीहरूको लामो आयु, ठूलो विशिष्ट क्षमता, र कुनै मेमोरी प्रभावको कारणले तिनीहरूको व्यापक रूपमा प्रयोग भएको छ। लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम तापक्रम प्रयोगमा कम क्षमता, गम्भीर क्षीणता, खराब चक्र दर प्रदर्शन, स्पष्ट लिथियम निक्षेप, र असंतुलित लिथियम निकासी जस्ता समस्याहरू छन्। यद्यपि, अनुप्रयोग क्षेत्रहरूको निरन्तर विस्तारको साथ, लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कमजोर कम-तापमान प्रदर्शनको कारणले गर्दा अवरोधहरू अधिक र अधिक स्पष्ट हुँदैछन्।

रिपोर्टहरूका अनुसार -20 डिग्री सेल्सियसमा लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको डिस्चार्ज क्षमता कोठाको तापक्रमको लगभग 31.5% मात्र हुन्छ। परम्परागत लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको सञ्चालन तापमान -20 र +55 डिग्री सेल्सियसको बीचमा हुन्छ। यद्यपि, एयरोस्पेस, सैन्य उद्योग, विद्युतीय सवारी साधन आदि क्षेत्रमा ब्याट्रीले सामान्य रूपमा -४० डिग्री सेल्सियसमा काम गर्न आवश्यक हुन्छ। त्यसकारण, ली-आयन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान गुणहरू सुधार गर्न यो ठूलो महत्त्वको छ।

ली-आयन ब्याट्रीहरूको कम तापक्रम प्रदर्शनमा प्रतिबन्ध लगाउने कारकहरू

कम तापक्रमको वातावरणमा, इलेक्ट्रोलाइटको चिपचिपाहट बढ्छ र आंशिक रूपमा ठोस हुन्छ, परिणामस्वरूप लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको चालकतामा कमी आउँछ।

इलेक्ट्रोलाइट र नकारात्मक इलेक्ट्रोड र विभाजक बीचको अनुकूलता कम तापमान वातावरणमा खराब हुन्छ।

लिथियम-आयन ब्याट्रीको नकारात्मक इलेक्ट्रोडमा कम तापक्रमको वातावरणमा गम्भीर लिथियम वर्षा हुन्छ, र अवक्षेपित धातु लिथियमले इलेक्ट्रोलाइटसँग प्रतिक्रिया गर्दछ, र यसको उत्पादन भण्डारणले ठोस-इलेक्ट्रोलाइट इन्टरफेस (SEI) को मोटाईमा वृद्धि हुन्छ।

कम तापक्रम वातावरणमा, सक्रिय सामग्रीमा लि-आयन ब्याट्रीहरूको प्रसार प्रणाली घट्छ, र चार्ज ट्रान्सफर प्रतिरोध (Rct) उल्लेखनीय रूपमा बढ्छ।

लि-आयन ब्याट्रीहरूको कम तापक्रम प्रदर्शनलाई असर गर्ने कारकहरूमा छलफल

विशेषज्ञ राय 1: इलेक्ट्रोलाइटले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शनमा सबैभन्दा ठूलो प्रभाव पार्छ, र इलेक्ट्रोलाइटको संरचना र भौतिक रासायनिक गुणहरूले ब्याट्रीको कम-तापमान प्रदर्शनमा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छ। कम तापक्रममा ब्याट्री चक्रले सामना गर्ने समस्याहरू निम्न हुन्: इलेक्ट्रोलाइटको चिपचिपाहट बढ्नेछ, र आयन प्रवाहको गति सुस्त हुनेछ, परिणामस्वरूप बाह्य सर्किटको इलेक्ट्रोन माइग्रेसन गति बेमेल हुन्छ, त्यसैले ब्याट्री गम्भीर रूपमा ध्रुवीकृत हुन्छ, र चार्ज र डिस्चार्ज क्षमता तीव्र रूपमा कम भएको छ। विशेष गरी कम तापक्रममा चार्ज गर्दा, लिथियम आयनहरूले नकारात्मक इलेक्ट्रोडको सतहमा सजिलैसँग लिथियम डेन्ड्राइटहरू बनाउँछन्, जसले गर्दा ब्याट्री विफल हुन्छ।

इलेक्ट्रोलाइटको कम तापमान प्रदर्शन इलेक्ट्रोलाइटको चालकताको आकारसँग नजिकको सम्बन्धित छ। उच्च चालकता भएको इलेक्ट्रोलाइटले आयनहरूलाई छिट्टै प्रसारण गर्छ र कम तापक्रममा बढी क्षमता प्रयोग गर्न सक्छ। इलेक्ट्रोलाइटमा लिथियम नुन जति धेरै पृथक हुन्छ, माइग्रेसनको उच्च संख्या र उच्च चालकता। विद्युतीय चालकता जति उच्च हुन्छ, आयन प्रवाहकत्व जति छिटो हुन्छ, ध्रुवीकरण कम हुन्छ, र कम तापक्रममा ब्याट्रीको कार्यसम्पादन त्यति नै राम्रो हुन्छ। त्यसकारण, लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको राम्रो कम-तापमान प्रदर्शन प्राप्त गर्न उच्च विद्युत चालकता आवश्यक अवस्था हो।

इलेक्ट्रोलाइटको चालकता इलेक्ट्रोलाइटको संरचनासँग सम्बन्धित छ, र विलायकको चिपचिपाहट कम गर्नु इलेक्ट्रोलाइटको चालकता सुधार गर्ने तरिकाहरू मध्ये एक हो। कम तापक्रममा विलायकको राम्रो तरलता आयन ढुवानीको ग्यारेन्टी हो, र कम तापक्रममा नकारात्मक इलेक्ट्रोडमा इलेक्ट्रोलाइटले बनेको ठोस इलेक्ट्रोलाइट फिल्म पनि लिथियम आयनको प्रवाहलाई असर गर्ने कुञ्जी हो, र RSEI मुख्य प्रतिबाधा हो। कम तापक्रम वातावरणमा लिथियम आयन ब्याट्रीहरू।

विशेषज्ञ २: लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम तापक्रम प्रदर्शनलाई सीमित गर्ने मुख्य कारक भनेको SEI फिल्म होइन, कम तापक्रममा तीव्र रूपमा बढेको Li+ प्रसार प्रतिरोध हो।

लिथियम आयन ब्याट्रीहरूको लागि क्याथोड सामग्रीको कम तापमान गुणहरू

1. स्तरित क्याथोड सामग्री को कम तापमान गुण

स्तरित संरचनामा एक-आयामी लिथियम आयन प्रसार च्यानलहरूको अतुलनीय दर प्रदर्शन मात्र होइन, तर त्रि-आयामी च्यानलहरूको संरचनात्मक स्थिरता पनि छ। यो लिथियम आयन ब्याट्रीहरूको लागि सबैभन्दा प्रारम्भिक व्यावसायिक क्याथोड सामग्री हो। यसको प्रतिनिधि पदार्थहरू LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 र Li(Ni, Co, Mn)O2 र यस्तै हुन्।

Xie Xiaohua et al। LiCoO2/MCMB लाई अनुसन्धान वस्तुको रूपमा लिए र यसको कम-तापमान चार्ज-डिस्चार्ज विशेषताहरूको परीक्षण गर्‍यो।

नतिजाहरूले देखाउँछन् कि तापमान घट्दै जाँदा, डिस्चार्ज प्लेटफर्म 3.762V (0°C) बाट 3.207V (-30°C) मा झर्छ; कुल ब्याट्री क्षमता पनि 78.98mAh (0°C) बाट 68.55mAh (–30°C) मा तीव्र रूपमा घट्छ।

2. स्पिनल-संरचित क्याथोड सामग्रीहरूको कम-तापमान विशेषताहरू

स्पिनल संरचना LiMn2O4 क्याथोड सामग्रीमा कम लागत र गैर-विषाक्तताको फाइदाहरू छन् किनभने यसमा Co तत्व समावेश छैन।

यद्यपि, Mn को भ्यालेन्स परिवर्तनशीलता र Mn3+ को Jahn-Teller प्रभावले यस घटकको संरचनात्मक अस्थिरता र खराब उल्टोपनको नेतृत्व गर्दछ।

Peng Zhengshun et al। बिभिन्न तयारी विधिहरूले LiMn2O4 क्याथोड सामग्रीको इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शनमा ठूलो प्रभाव पार्छ भनेर औंल्याए। उदाहरणको रूपमा Rct लिँदै: उच्च तापमान ठोस-चरण विधि द्वारा संश्लेषित LiMn2O4 को Rct सोल-जेल विधिको तुलनामा उल्लेखनीय रूपमा उच्च छ, र यो घटना लिथियम आयनहरूले प्रभावित गर्दैन। प्रसार गुणांक पनि प्रतिबिम्बित छ। कारण यो हो कि विभिन्न संश्लेषण विधिहरूले उत्पादनहरूको क्रिस्टलिनिटी र आकृति विज्ञानमा ठूलो प्रभाव पार्छ।

3. फस्फेट प्रणाली को क्याथोड सामग्री को कम तापमान विशेषताहरु

यसको उत्कृष्ट भोल्युम स्थिरता र सुरक्षाको कारण, LiFePO4, तिरंगी सामग्रीहरूसँगै, हालको पावर ब्याट्री क्याथोड सामग्रीहरूको मुख्य भाग भएको छ। लिथियम आइरन फस्फेटको कमजोर कम तापक्रम प्रदर्शन मुख्यतया हो किनभने यसको सामग्री आफैंमा इन्सुलेटर हो, कम इलेक्ट्रोनिक चालकता, कमजोर लिथियम आयन विसारकता, र कम तापक्रममा खराब चालकता, जसले ब्याट्रीको आन्तरिक प्रतिरोधलाई बढाउँछ, जुन धेरै प्रभावित हुन्छ। ध्रुवीकरण, र ब्याट्री चार्ज र डिस्चार्ज बाधित छन्। त्यसैले, कम तापमान प्रदर्शन आदर्श छैन।

कम तापमानमा LiFePO4 को चार्ज-डिस्चार्ज व्यवहार अध्ययन गर्दा, Gu Yijie et al। फेला पर्यो कि यसको कूलम्बिक दक्षता १००% बाट 100°C मा 55% बाट 96°C र 0% -64°C मा क्रमशः घट्यो; डिस्चार्ज भोल्टेज 20V बाट 3.11°C मा घट्यो। -55 डिग्री सेल्सियसमा 2.62V मा घटाउनुहोस्।

Xing et al। न्यानोकार्बन संग LiFePO4 परिमार्जन गरियो र फेला पारियो कि नानोकार्बन प्रवाहकीय एजेन्ट थपे पछि, LiFePO4 को इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन तापमान को लागी कम संवेदनशील थियो, र कम तापमान प्रदर्शन सुधारिएको थियो; परिमार्जित LiFePO4 को डिस्चार्ज भोल्टेज 3.40 बाट बढेर 25 °CV मा 3.09V मा -25°C मा घट्यो, केवल 9.12% को कमी; र -25°C मा यसको सेल दक्षता 57.3% छ, जुन नैनो-कार्बन कन्डक्टिभ एजेन्ट बिना 53.4% ​​भन्दा बढी छ।

हालै, LiMnPO4 ले धेरै चासो आकर्षित गरेको छ। अध्ययनले पत्ता लगायो कि LiMnPO4 सँग उच्च क्षमता (4.1V), कुनै प्रदूषण, कम मूल्य, र ठूलो विशिष्ट क्षमता (170mAh/g) को फाइदाहरू छन्। यद्यपि, LiFePO4 भन्दा LiMnPO4 को कम आयनिक चालकताको कारणले, Fe प्राय: Mn लाई आंशिक रूपमा LiMn0.8Fe0.2PO4 ठोस समाधान बनाउन प्रयोग गरिन्छ।

लिथियम आयन ब्याट्रीहरूको लागि एनोड सामग्रीको कम तापमान गुणहरू

सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीको तुलनामा, लिथियम आयन ब्याट्रीको नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीको कम तापमान बिग्रने मुख्यतया निम्न तीन कारणहरूका लागि बढी गम्भीर छ:

कम तापक्रम र उच्च दरमा चार्ज र डिस्चार्ज गर्दा, ब्याट्री गम्भीर रूपमा ध्रुवीकृत हुन्छ, र धातु लिथियमको ठूलो मात्रा नकारात्मक इलेक्ट्रोडको सतहमा जम्मा हुन्छ, र धातु लिथियम र इलेक्ट्रोलाइटको प्रतिक्रिया उत्पादनमा सामान्यतया चालकता हुँदैन;

थर्मोडायनामिक दृष्टिकोणबाट, इलेक्ट्रोलाइटले ठूलो संख्यामा ध्रुवीय समूहहरू समावेश गर्दछ जस्तै CO र CN, जसले नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीसँग प्रतिक्रिया गर्न सक्छ, र गठन गरिएको SEI फिल्म कम तापमानमा बढी संवेदनशील हुन्छ;

कार्बन नेगेटिभ इलेक्ट्रोडलाई कम तापमानमा लिथियम इन्टरकेलेट गर्न गाह्रो हुन्छ, र त्यहाँ असममित चार्ज र डिस्चार्ज हुन्छ।

तस्वीर

कम तापमान इलेक्ट्रोलाइटमा अनुसन्धान

इलेक्ट्रोलाइटले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूमा Li+ ढुवानी गर्ने भूमिका खेल्छ, र यसको आयनिक चालकता र SEI फिल्म-निर्माण गुणहरूले ब्याट्रीको कम-तापमान प्रदर्शनमा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छ। कम-तापमान इलेक्ट्रोलाइट्सको फाइदा र विपक्षलाई न्याय गर्नका लागि तीन मुख्य सूचकहरू छन्: आयनिक चालकता, इलेक्ट्रोकेमिकल सञ्झ्याल र इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाशीलता। यी तीन सूचकहरूको स्तर यसको घटक सामग्रीमा ठूलो हदसम्म निर्भर गर्दछ: विलायक, इलेक्ट्रोलाइट (लिथियम नुन), र additives। त्यसकारण, इलेक्ट्रोलाइटको प्रत्येक भागको कम तापमान प्रदर्शनमा अनुसन्धान ब्याट्रीको कम तापक्रम प्रदर्शनलाई बुझ्न र सुधार गर्नको लागि ठूलो महत्त्वको छ।

चेन कार्बोनेटहरूसँग तुलना गर्दा, EC-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्सको कम तापक्रम विशेषताहरू, चक्रीय कार्बोनेटहरूमा कम्प्याक्ट संरचना, ठूलो अभिनय बल, र उच्च पिघलने बिन्दु र चिपचिपाहट हुन्छ। यद्यपि, औंठी संरचनाले ल्याएको ठूलो ध्रुवताले यसलाई प्रायः ठूलो डाइलेक्ट्रिक स्थिरता बनाउँछ। ठूलो डाइलेक्ट्रिक स्थिरता, उच्च आयनिक चालकता, र EC सॉल्भेन्ट्सको उत्कृष्ट फिल्म-निर्माण गुणहरूले विलायक अणुहरूको सह-सम्मिलनलाई प्रभावकारी रूपमा रोक्छ, तिनीहरूलाई अपरिहार्य बनाउँछ। त्यसकारण, प्रायः प्रयोग हुने कम-तापमान इलेक्ट्रोलाइट प्रणालीहरू EC मा आधारित हुन्छन्, र त्यसपछि कम पग्लने बिन्दुको साथ सानो अणु विलायक मिश्रित हुन्छन्।

लिथियम नुन इलेक्ट्रोलाइट को एक महत्वपूर्ण घटक हो। इलेक्ट्रोलाइटमा लिथियम नुनले समाधानको आयनिक चालकता मात्र सुधार गर्न सक्दैन, तर समाधानमा Li+ को प्रसार दूरी पनि कम गर्न सक्छ। सामान्यतया, समाधानमा Li+ को जति धेरै एकाग्रता हुन्छ, आयनिक चालकता त्यति नै बढी हुन्छ। यद्यपि, इलेक्ट्रोलाइटमा लिथियम आयनहरूको एकाग्रता लिथियम लवणको एकाग्रतासँग रैखिक रूपमा सम्बन्धित छैन, तर प्याराबोलिक छ। यो किनभने विलायक मा लिथियम आयन को एकाग्रता विलायक मा लिथियम लवण को पृथक्करण र संघ को बल मा निर्भर गर्दछ।

कम तापमान इलेक्ट्रोलाइटमा अनुसन्धान

ब्याट्रीको संरचनाको अतिरिक्त, वास्तविक सञ्चालनमा प्रक्रिया कारकहरूले पनि ब्याट्रीको प्रदर्शनमा ठूलो प्रभाव पार्छ।
(1) तयारी प्रक्रिया। याकूब र अन्य। LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 / ग्रेफाइट ब्याट्रीहरूको कम तापक्रम प्रदर्शनमा इलेक्ट्रोड लोड र कोटिंग मोटाईको प्रभावको अध्ययन गर्‍यो र पत्ता लगायो कि क्षमता अवधारणको सन्दर्भमा, इलेक्ट्रोड लोड जति सानो हुन्छ र कोटिंग तह जति पातलो हुन्छ, त्यति नै राम्रो हुन्छ। तापमान प्रदर्शन। ।

(२) चार्ज र डिस्चार्जको अवस्था। Petzl et al। ब्याट्री चक्र जीवनमा कम-तापमान चार्ज-डिस्चार्ज अवस्थाको प्रभावको अध्ययन गर्यो, र पत्ता लगायो कि जब डिस्चार्जको गहिराई ठूलो हुन्छ, यसले ठूलो क्षमता हानि गर्छ र चक्र जीवन घटाउँछ।

(3) अन्य कारकहरू। सतह क्षेत्र, छिद्र आकार, इलेक्ट्रोड घनत्व, इलेक्ट्रोड र इलेक्ट्रोलाइटको भिजेको क्षमता, र विभाजक, आदि, सबैले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शनलाई असर गर्छ। थप रूपमा, ब्याट्रीको कम तापमान प्रदर्शनमा सामग्री र प्रक्रिया दोषहरूको प्रभावलाई बेवास्ता गर्न सकिँदैन।

सारांशमा

लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम तापमान प्रदर्शन सुनिश्चित गर्न, निम्न बिन्दुहरू गर्न आवश्यक छ:

(1) पातलो र घने SEI फिल्म बनाउनुहोस्;

(२) सक्रिय सामग्रीमा Li+ को ठूलो प्रसार गुणांक छ भन्ने सुनिश्चित गर्नुहोस्;

(३) कम तापक्रममा इलेक्ट्रोलाइटमा उच्च आयनिक चालकता हुन्छ।

थप रूपमा, अनुसन्धानले अर्को प्रकारको लिथियम-आयन ब्याट्री-सबै-ठोस-राज्य लिथियम-आयन ब्याट्रीलाई हेर्नको लागि अर्को तरिका पनि फेला पार्न सक्छ। परम्परागत लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको तुलनामा, सबै-ठोस-राज्य लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू, विशेष गरी सबै-ठोस-राज्य पातलो-फिल्म लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू, ब्याट्रीहरू प्रयोग गर्दा क्षमता क्षय र साइकल सुरक्षाको समस्यालाई पूर्ण रूपमा समाधान गर्ने आशा गरिन्छ। कम तापमान। ग