Që kur bateritë litium-jon hynë në treg, ato janë përdorur gjerësisht për shkak të avantazheve të tyre të jetëgjatësisë, kapacitetit të madh specifik dhe mungesës së efektit të kujtesës. Përdorimi në temperaturë të ulët i baterive litium-jon ka probleme të tilla si kapaciteti i ulët, dobësimi serioz, performanca e dobët e ciklit, depozitimi i dukshëm i litiumit dhe nxjerrja e pabalancuar e litiumit. Megjithatë, me zgjerimin e vazhdueshëm të fushave të aplikimit, kufizimet e shkaktuara nga performanca e dobët në temperaturë të ulët të baterive litium-jon po bëhen gjithnjë e më të dukshme.

Sipas raporteve, kapaciteti i shkarkimit të baterive litium-jon në -20°C është vetëm rreth 31.5% e atij në temperaturën e dhomës. Temperatura e funksionimit të baterive tradicionale litium-jon është midis -20 dhe +55 °C. Megjithatë, në fushat e hapësirës ajrore, industrisë ushtarake, automjeteve elektrike, etj., bateria kërkohet të punojë normalisht në -40°C. Prandaj, është me rëndësi të madhe përmirësimi i vetive të temperaturës së ulët të baterive Li-jon.

Faktorët që kufizojnë performancën në temperaturë të ulët të baterive li-jon

Në një mjedis me temperaturë të ulët, viskoziteti i elektrolitit rritet dhe madje ngurtësohet pjesërisht, duke rezultuar në një ulje të përçueshmërisë së baterive litium-jon.

Pajtueshmëria midis elektrolitit dhe elektrodës negative dhe ndarësit bëhet e dobët në një mjedis me temperaturë të ulët.

Elektroda negative e baterisë litium-jon ka reshje serioze të litiumit në mjedis me temperaturë të ulët, dhe litiumi i precipituar i metalit reagon me elektrolitin, dhe depozitimi i produktit të tij çon në një rritje në trashësinë e ndërfaqes së ngurtë-elektrolit (SEI).

Në mjedis me temperaturë të ulët, sistemi i difuzionit të baterive Li-jon në materialin aktiv zvogëlohet dhe rezistenca e transferimit të ngarkesës (Rct) rritet ndjeshëm.

Diskutim mbi faktorët që ndikojnë në performancën në temperaturë të ulët të baterive litium-jon

Mendimi i ekspertit 1: Elektroliti ka ndikimin më të madh në performancën në temperaturë të ulët të baterive litium-jon, dhe përbërja dhe vetitë fiziko-kimike të elektrolitit kanë një ndikim të rëndësishëm në performancën e baterisë në temperaturë të ulët. Problemet me të cilat përballet cikli i baterisë në temperaturë të ulët janë: viskoziteti i elektrolitit do të rritet dhe shpejtësia e përcjelljes së joneve do të bëhet më e ngadaltë, duke rezultuar në mospërputhje të shpejtësisë së migrimit të elektroneve të qarkut të jashtëm, kështu që bateria është e polarizuar rëndë. dhe kapaciteti i ngarkimit dhe shkarkimit është ulur ndjeshëm. Sidomos kur karikoni në temperaturë të ulët, jonet e litiumit formojnë lehtësisht dendritët e litiumit në sipërfaqen e elektrodës negative, duke rezultuar në dështimin e baterisë.

Performanca e elektrolitit në temperaturë të ulët është e lidhur ngushtë me madhësinë e përçueshmërisë së vetë elektrolitit. Elektroliti me përçueshmëri të lartë transmeton jonet shpejt dhe mund të ushtrojë më shumë kapacitet në temperaturë të ulët. Sa më e shkëputur të jetë kripa e litiumit në elektrolit, aq më i lartë është numri i migrimeve dhe aq më i lartë është përçueshmëria. Sa më e lartë të jetë përçueshmëria elektrike, aq më e shpejtë është shpejtësia e përçueshmërisë së joneve, aq më pak polarizimi dhe aq më mirë performanca e baterisë në temperaturë të ulët. Prandaj, përçueshmëria më e lartë elektrike është një kusht i domosdoshëm për të arritur performancë të mirë në temperaturë të ulët të baterive litium-jon.

Përçueshmëria e elektrolitit lidhet me përbërjen e elektrolitit, dhe ulja e viskozitetit të tretësit është një nga mënyrat për të përmirësuar përçueshmërinë e elektrolitit. Rrjedhshmëria e mirë e tretësit në temperaturë të ulët është garancia e transportit të joneve, dhe filmi i ngurtë elektrolitik i formuar nga elektroliti në elektrodën negative në temperaturë të ulët është gjithashtu çelësi për të ndikuar në përcjelljen e joneve të litiumit, dhe RSEI është impedanca kryesore. e baterive litium-jon në mjedise me temperaturë të ulët.

Eksperti 2: Faktori kryesor që kufizon performancën në temperaturë të ulët të baterive litium-jon është rritja e mprehtë e rezistencës së difuzionit Li+ në temperatura të ulëta, jo filmi SEI.

Karakteristikat e temperaturës së ulët të materialeve katodë për bateritë e joneve të litiumit

1. Vetitë me temperaturë të ulët të materialeve katodë të shtresuar

Struktura e shtresuar jo vetëm që ka performancën e pakrahasueshme të shpejtësisë së kanaleve njëdimensionale të difuzionit të joneve të litiumit, por gjithashtu ka qëndrueshmërinë strukturore të kanaleve tre-dimensionale. Është materiali më i hershëm i katodës komerciale për bateritë me jon litium. Substancat përfaqësuese të tij janë LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 dhe Li(Ni, Co, Mn)O2 e kështu me radhë.

Xie Xiaohua etj. mori LiCoO2/MCMB si objekt kërkimi dhe testoi karakteristikat e tij të ngarkimit-shkarkimit në temperaturë të ulët.

Rezultatet tregojnë se me uljen e temperaturës, platforma e shkarkimit bie nga 3.762V (0°C) në 3.207V (–30°C); kapaciteti total i baterisë gjithashtu zvogëlohet ndjeshëm nga 78.98 mA·h (0°C) në 68.55 mA·h (–30°C).

2. Karakteristikat e temperaturës së ulët të materialeve katodë të strukturuar me spinel

Struktura e spinelit Materiali katodë LiMn2O4 ka avantazhet e kostos së ulët dhe jotoksicitetit sepse nuk përmban element Co.

Sidoqoftë, ndryshueshmëria e valencës së Mn dhe efekti Jahn-Teller i Mn3+ çojnë në paqëndrueshmëri strukturore dhe kthyeshmëri të dobët të këtij komponenti.

Peng Zhengshun et al. vuri në dukje se metodat e ndryshme të përgatitjes kanë një ndikim të madh në performancën elektrokimike të materialeve katodë LiMn2O4. Duke marrë si shembull Rct: Rct i LiMn2O4 i sintetizuar me metodën e fazës së ngurtë me temperaturë të lartë është dukshëm më i lartë se ai i metodës sol-gel, dhe ky fenomen nuk ndikohet nga jonet e litiumit. Reflektohet edhe koeficienti i difuzionit. Arsyeja është se metodat e ndryshme të sintezës kanë ndikim të madh në kristalinitetin dhe morfologjinë e produkteve.

3. Karakteristikat e temperaturës së ulët të materialeve katodike të sistemit fosfat

Për shkak të stabilitetit dhe sigurisë së tij të shkëlqyer të vëllimit, LiFePO4, së bashku me materialet treshe, është bërë trupi kryesor i materialeve katodë të baterive aktuale. Performanca e dobët në temperaturë të ulët të fosfatit të hekurit të litiumit është kryesisht për shkak se vetë materiali i tij është një izolues, me përçueshmëri të ulët elektronike, difuzion të dobët të joneve të litiumit dhe përçueshmëri të dobët në temperaturë të ulët, gjë që rrit rezistencën e brendshme të baterisë, e cila ndikohet shumë nga polarizimi, dhe ngarkimi dhe shkarkimi i baterisë pengohen. Prandaj, Performanca në temperaturë të ulët nuk është ideale.

Kur studiojnë sjelljen e shkarkimit të LiFePO4 në temperaturë të ulët, Gu Yijie et al. zbuloi se efikasiteti i tij kulombik ra nga 100% në 55°C në 96% në 0°C dhe 64% në -20°C, respektivisht; voltazhi i shkarkimit u ul nga 3.11 V në 55°C. Uleni në 2.62 V në -20°C.

Xing et al. modifikoi LiFePO4 me nanokarbon dhe zbuloi se pas shtimit të agjentit përcjellës të nanokarbonit, performanca elektrokimike e LiFePO4 ishte më pak e ndjeshme ndaj temperaturës dhe performanca në temperaturë të ulët u përmirësua; voltazhi i shkarkimit të LiFePO4 të modifikuar u rrit nga 3.40 në 25 °CV bie në 3.09V në -25 °C, një rënie prej vetëm 9.12%; dhe efikasiteti i qelizës së tij në -25°C është 57.3%, që është më i lartë se 53.4% pa agjent përcjellës nano-karbon.

Kohët e fundit, LiMnPO4 ka tërhequr shumë interes. Studimi zbuloi se LiMnPO4 ka avantazhet e potencialit të lartë (4.1 V), pa ndotje, çmim të ulët dhe kapacitet të madh specifik (170 mAh/g). Sidoqoftë, për shkak të përçueshmërisë më të ulët jonike të LiMnPO4 sesa LiFePO4, Fe shpesh përdoret për të zëvendësuar pjesërisht Mn për të formuar në praktikë zgjidhje të ngurtë LiMn0.8Fe0.2PO4.

Karakteristikat e temperaturës së ulët të materialeve anode për bateritë me jon litium

Krahasuar me materialin e elektrodës pozitive, përkeqësimi i temperaturës së ulët të materialit elektrod negativ të baterisë së litiumit është më serioz, kryesisht për tre arsyet e mëposhtme:

Kur ngarkohet dhe shkarkohet në temperaturë të ulët dhe shpejtësi të lartë, bateria polarizohet seriozisht, dhe një sasi e madhe e litiumit metalik depozitohet në sipërfaqen e elektrodës negative, dhe produkti i reagimit të litiumit metalik dhe elektrolitit në përgjithësi nuk ka përçueshmëri;

Nga pikëpamja termodinamike, elektroliti përmban një numër të madh grupesh polare si CO dhe CN, të cilat mund të reagojnë me materialin e elektrodës negative, dhe filmi i formuar SEI është më i ndjeshëm ndaj temperaturës së ulët;

Elektroda negative e karbonit është e vështirë për të ndërthurur litiumin në temperaturë të ulët, dhe ka ngarkesë dhe shkarkim asimetrik.

foto

Hulumtimi mbi elektrolitin me temperaturë të ulët

Elektroliti luan rolin e transportit të Li+ në bateritë litium-jon, dhe përçueshmëria e tij jonike dhe vetitë e formimit të filmit SEI kanë një ndikim të rëndësishëm në performancën e baterisë në temperaturë të ulët. Ekzistojnë tre tregues kryesorë për të gjykuar të mirat dhe të këqijat e elektroliteve me temperaturë të ulët: përçueshmëria jonike, dritarja elektrokimike dhe reaktiviteti i elektrodës. Niveli i këtyre tre treguesve varet në një masë të madhe nga materialet përbërëse të tij: tretësi, elektroliti (kripa e litiumit) dhe aditivët. Prandaj, hulumtimi mbi performancën në temperaturë të ulët të secilës pjesë të elektrolitit ka një rëndësi të madhe për të kuptuar dhe përmirësuar performancën në temperaturë të ulët të baterisë.

Krahasuar me karbonatet e zinxhirit, karakteristikat e temperaturës së ulët të elektroliteve me bazë EC, karbonatet ciklike kanë një strukturë kompakte, forcë të madhe veprimi dhe pikë shkrirjeje dhe viskozitet më të lartë. Megjithatë, polariteti i madh i sjellë nga struktura unazore e bën atë shpesh të ketë një konstante të madhe dielektrike. Konstanta e madhe dielektrike, përçueshmëria e lartë jonike dhe vetitë e shkëlqyera të formimit të filmit të tretësve EC parandalojnë në mënyrë efektive bashkëfutjen e molekulave të tretësit, duke i bërë ato të domosdoshme. Prandaj, shumica e sistemeve të elektroliteve me temperaturë të ulët të përdorur zakonisht bazohen në EC, dhe më pas tretës të përzier me molekula të vogla me pikë shkrirjeje të ulët.

Kripa e litiumit është një komponent i rëndësishëm i elektrolitit. Kripa e litiumit në elektrolit jo vetëm që mund të përmirësojë përçueshmërinë jonike të tretësirës, ​​por edhe të zvogëlojë distancën e difuzionit të Li+ në tretësirë. Në përgjithësi, sa më i madh të jetë përqendrimi i Li+ në tretësirë, aq më e madhe është përçueshmëria jonike. Sidoqoftë, përqendrimi i joneve të litiumit në elektrolit nuk lidhet në mënyrë lineare me përqendrimin e kripërave të litiumit, por është parabolik. Kjo është për shkak se përqendrimi i joneve të litiumit në tretës varet nga forca e disociimit dhe bashkimit të kripërave të litiumit në tretës.

Hulumtimi mbi elektrolitin me temperaturë të ulët

Përveç përbërjes së vetë baterisë, faktorët e procesit në funksionimin aktual do të kenë gjithashtu një ndikim të madh në performancën e baterisë.
(1) Procesi i përgatitjes. Jaqub etj. studioi efektin e ngarkesës së elektrodës dhe trashësisë së veshjes në performancën e temperaturës së ulët të baterive LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 / grafit dhe zbuloi se për sa i përket mbajtjes së kapacitetit, sa më e vogël të jetë ngarkesa e elektrodës dhe sa më e hollë shtresa e veshjes, aq më mirë është e ulët. performanca e temperaturës. .

(2) Gjendja e ngarkimit dhe shkarkimit. Petzl etj. studioi efektin e gjendjes së ngarkimit-shkarkimit në temperaturë të ulët në jetën e ciklit të baterisë dhe zbuloi se kur thellësia e shkarkimit është e madhe, kjo do të shkaktojë humbje më të madhe të kapacitetit dhe do të zvogëlojë jetën e ciklit.

(3) Faktorë të tjerë. Sipërfaqja, madhësia e poreve, dendësia e elektrodës, lagshmëria e elektrodës dhe elektrolitit, dhe ndarësi, etj., të gjitha ndikojnë në performancën në temperaturë të ulët të baterive litium-jon. Për më tepër, ndikimi i defekteve të materialit dhe procesit në performancën në temperaturë të ulët të baterisë nuk mund të injorohet.

Përmbledh

Për të siguruar performancën në temperaturë të ulët të baterive litium-jon, duhen bërë pikat e mëposhtme:

(1) Formoni një film të hollë dhe të dendur SEI;

(2) Sigurohuni që Li+ të ketë një koeficient të madh difuzioni në materialin aktiv;

(3) Elektroliti ka përçueshmëri të lartë jonike në temperaturë të ulët.

Përveç kësaj, hulumtimi mund të gjejë gjithashtu një mënyrë tjetër për të parë një lloj tjetër baterie litium-jon- bateri litium-jon në gjendje të ngurtë. Krahasuar me bateritë konvencionale litium-jon, bateritë e litium-jonit në gjendje të ngurtë, veçanërisht bateritë litium-jon me film të hollë të gjendjes së ngurtë, pritet të zgjidhin plotësisht problemin e prishjes së kapacitetit dhe sigurisë së ciklit kur bateritë përdoren në temperaturat e ulëta. c