Tangu betri za lithiamu-ion ziingie sokoni, zimetumika sana kutokana na faida zao za maisha marefu, uwezo mkubwa maalum, na hakuna athari ya kumbukumbu. Matumizi ya halijoto ya chini ya betri za lithiamu-ioni ina matatizo kama vile uwezo mdogo, upunguzaji mkubwa wa sauti, utendakazi duni wa kiwango cha mzunguko, uwekaji wazi wa lithiamu, na uchimbaji wa lithiamu usio na usawa. Hata hivyo, kwa upanuzi unaoendelea wa mashamba ya maombi, vikwazo vinavyosababishwa na utendaji duni wa joto la chini la betri za lithiamu-ioni vinakuwa wazi zaidi na zaidi.

Kulingana na ripoti, uwezo wa kutokwa kwa betri za lithiamu-ioni kwa -20 ° C ni karibu 31.5% tu ya hiyo kwenye joto la kawaida. Joto la uendeshaji wa betri za jadi za lithiamu-ion ni kati ya -20 na +55 °C. Hata hivyo, katika nyanja za anga, sekta ya kijeshi, magari ya umeme, nk, betri inahitajika kufanya kazi kwa kawaida saa -40 ° C. Kwa hiyo, ni muhimu sana kuboresha sifa za chini za joto za betri za Li-ion.

Mambo yanayozuia Utendaji wa Joto la Chini la Betri za Li-ion

Katika mazingira ya joto la chini, mnato wa elektroliti huongezeka na hata huimarishwa kwa sehemu, na kusababisha kupungua kwa conductivity ya betri za lithiamu-ioni.

Utangamano kati ya elektroliti na elektrodi hasi na kitenganishi huwa duni katika mazingira ya joto la chini.

Electrodi hasi ya betri ya lithiamu-ioni ina mvua kubwa ya lithiamu chini ya mazingira ya joto la chini, na lithiamu ya chuma iliyopungua humenyuka pamoja na elektroliti, na utuaji wa bidhaa zake husababisha kuongezeka kwa unene wa kiolesura kigumu-elektroliti (SEI).

Katika mazingira ya joto la chini, mfumo wa usambazaji wa betri za Li-ion katika nyenzo za kazi hupungua, na upinzani wa uhamisho wa malipo (Rct) huongezeka kwa kiasi kikubwa.

Majadiliano juu ya Mambo yanayoathiri Utendaji wa Joto la Chini la Betri za Li-ion

Maoni ya Mtaalam 1: Electroliti ina athari kubwa zaidi kwa utendaji wa chini wa joto wa betri za lithiamu-ioni, na muundo na sifa za fizikia ya elektroliti zina athari muhimu kwa utendaji wa chini wa joto wa betri. Shida zinazokabili mzunguko wa betri kwa joto la chini ni: mnato wa elektroliti utaongezeka, na kasi ya upitishaji wa ion itakuwa polepole, na kusababisha kutolingana kwa kasi ya uhamiaji wa elektroni ya mzunguko wa nje, kwa hivyo betri imegawanywa sana. na uwezo wa malipo na kutokwa hupunguzwa sana. Hasa wakati wa kuchaji kwa joto la chini, ioni za lithiamu huunda kwa urahisi dendrites za lithiamu kwenye uso wa elektrodi hasi, na kusababisha kushindwa kwa betri.

Utendaji wa joto la chini la electrolyte ni karibu kuhusiana na ukubwa wa conductivity ya electrolyte yenyewe. Electroliti yenye conductivity ya juu hupitisha ioni haraka na inaweza kutoa uwezo zaidi kwa joto la chini. Kadiri chumvi ya lithiamu inavyotenganishwa katika elektroliti, ndivyo idadi ya uhamaji inavyoongezeka na upitishaji wa juu zaidi. Kadiri upitishaji wa umeme unavyoongezeka, kasi ya kasi ya upitishaji wa ayoni, ndivyo mgawanyiko unavyopungua, na utendaji bora wa betri kwenye joto la chini. Kwa hiyo, conductivity ya juu ya umeme ni hali muhimu ili kufikia utendaji mzuri wa joto la chini la betri za lithiamu-ioni.

Conductivity ya electrolyte inahusiana na muundo wa electrolyte, na kupunguza viscosity ya kutengenezea ni mojawapo ya njia za kuboresha conductivity ya electrolyte. Ugiligili mzuri wa kutengenezea kwa joto la chini ni dhamana ya usafirishaji wa ioni, na filamu dhabiti ya elektroliti inayoundwa na elektroliti kwenye elektroni hasi kwa joto la chini pia ndio ufunguo wa kuathiri upitishaji wa ioni za lithiamu, na RSEI ndio kizuizi kikuu. ya betri za lithiamu ion katika mazingira ya joto la chini.

Mtaalamu wa 2: Jambo kuu linalozuia utendaji wa halijoto ya chini ya betri za lithiamu-ioni ni kuongezeka kwa kasi kwa upinzani wa usambaaji wa Li+ kwenye joto la chini, si filamu ya SEI.

Tabia za joto la chini la vifaa vya cathode kwa betri za lithiamu ion

1. Tabia za joto la chini la vifaa vya cathode vya layered

Muundo wa tabaka sio tu una utendaji usioweza kulinganishwa wa njia za uenezaji wa ioni ya lithiamu ya mwelekeo mmoja, lakini pia ina utulivu wa muundo wa njia tatu-dimensional. Ni nyenzo ya kwanza ya cathode ya kibiashara kwa betri za ioni za lithiamu. Dutu zake za mwakilishi ni LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 na Li(Ni, Co, Mn)O2 na kadhalika.

Xie Xiaohua et al. ilichukua LiCoO2/MCMB kama kifaa cha utafiti na kujaribu sifa zake za kutokwa kwa malipo ya halijoto ya chini.

Matokeo yanaonyesha kuwa kwa kupungua kwa joto, jukwaa la kutokwa hupungua kutoka 3.762V (0 ° C) hadi 3.207V (-30 ° C); jumla ya uwezo wa betri pia hupungua kwa kasi kutoka 78.98mA·h (0°C) hadi 68.55mA·h (–30°C).

2. Tabia za chini za joto za vifaa vya cathode vilivyo na muundo wa spinel

Muundo wa spinel Nyenzo ya cathode ya LiMn2O4 ina faida za gharama ya chini na isiyo ya sumu kwa sababu haina kipengele cha Co.

Hata hivyo, utofauti wa valence wa Mn na athari ya Jahn-Teller ya Mn3+ husababisha kuyumba kwa muundo na urejeshaji duni wa kijenzi hiki.

Peng Zhengshun et al. ilionyesha kuwa mbinu tofauti za maandalizi zina ushawishi mkubwa juu ya utendaji wa electrochemical wa vifaa vya cathode ya LiMn2O4. Kwa kuchukua Rct kama mfano: Rct ya LiMn2O4 iliyosanifiwa kwa njia ya awamu ya hali ya joto ya juu ni ya juu zaidi kuliko ile ya mbinu ya sol-gel, na jambo hili haliathiriwi na ayoni za lithiamu. Mgawo wa uenezi pia unaonyeshwa. Sababu ni kwamba mbinu tofauti za awali zina ushawishi mkubwa juu ya fuwele na morpholojia ya bidhaa.

3. Tabia za joto la chini la vifaa vya cathode vya mfumo wa phosphate

Kwa sababu ya uthabiti wake bora wa kiasi na usalama, LiFePO4, pamoja na vifaa vya ternary, imekuwa sehemu kuu ya vifaa vya sasa vya cathode ya betri. Utendaji duni wa joto la chini la phosphate ya chuma ya lithiamu ni kwa sababu nyenzo zake yenyewe ni kizio, na conductivity ya chini ya elektroniki, diffusivity duni ya ioni ya lithiamu, na conductivity duni kwa joto la chini, ambayo huongeza upinzani wa ndani wa betri, ambayo huathiriwa sana. polarization, na malipo ya betri na kutokwa huzuiwa. Kwa hiyo, joto la chini Utendaji sio bora.

Wakati wa kusoma tabia ya kutokwa kwa malipo ya LiFePO4 kwa joto la chini, Gu Yijie et al. iligundua kuwa ufanisi wake wa coulombic ulipungua kutoka 100% kwa 55 ° C hadi 96% kwa 0 ° C na 64% kwa -20 ° C, kwa mtiririko huo; voltage ya kutokwa ilipungua kutoka 3.11V saa 55 ° C. Punguza hadi 2.62V kwa -20°C.

Xing na wengine. iliyorekebishwa LiFePO4 na nanocarbon na iligundua kuwa baada ya kuongeza wakala wa conductive nanocarbon, utendaji wa electrochemical wa LiFePO4 haukuwa nyeti sana kwa joto, na utendaji wa joto la chini uliboreshwa; voltage ya kutokwa kwa LiFePO4 iliyobadilishwa iliongezeka kutoka 3.40 kwa matone ya 25 ° CV hadi 3.09V saa -25 ° C, kupungua kwa 9.12% tu; na ufanisi wa seli katika -25 ° C ni 57.3%, ambayo ni ya juu kuliko 53.4% ​​bila wakala wa nano-carbon conductive.

Hivi majuzi, LiMnPO4 imevutia watu wengi. Utafiti uligundua kuwa LiMnPO4 ina faida za uwezo wa juu (4.1V), hakuna uchafuzi wa mazingira, bei ya chini, na uwezo mkubwa maalum (170mAh/g). Hata hivyo, kutokana na upitishaji wa ioni wa chini wa LiMnPO4 kuliko LiFePO4, Fe mara nyingi hutumiwa kuchukua nafasi ya Mn ili kuunda suluhisho gumu la LiMn0.8Fe0.2PO4 katika mazoezi.

Tabia za joto la chini la vifaa vya anode kwa betri za lithiamu ion

Ikilinganishwa na nyenzo chanya ya elektrodi, kuzorota kwa joto la chini la nyenzo hasi ya elektrodi ya betri ya ioni ya lithiamu ni mbaya zaidi, haswa kwa sababu tatu zifuatazo:

Wakati wa kuchaji na kutoa kwa joto la chini na kiwango cha juu, betri imegawanywa sana, na kiasi kikubwa cha lithiamu ya chuma huwekwa kwenye uso wa electrode hasi, na bidhaa ya majibu ya lithiamu ya chuma na electrolyte kwa ujumla haina conductivity;

Kutoka kwa mtazamo wa thermodynamic, elektroliti ina idadi kubwa ya vikundi vya polar kama vile CO na CN, ambayo inaweza kuguswa na nyenzo hasi ya elektrodi, na filamu ya SEI iliyoundwa huathirika zaidi na joto la chini;

Electrode hasi ya kaboni ni vigumu kuingilia kati ya lithiamu kwa joto la chini, na kuna malipo ya asymmetric na kutokwa.

picha

Utafiti wa Electrolyte ya Joto la Chini

Electroliti ina jukumu la kusafirisha Li+ katika betri za lithiamu-ioni, na conductivity yake ya ionic na sifa za kuunda filamu za SEI zina athari kubwa kwenye utendaji wa chini wa joto wa betri. Kuna viashiria vitatu kuu vya kuhukumu faida na hasara za elektroliti za joto la chini: conductivity ya ionic, dirisha la electrochemical na reactivity electrode. Kiwango cha viashiria hivi vitatu hutegemea kwa kiasi kikubwa juu ya vifaa vyake vinavyohusika: kutengenezea, electrolyte (chumvi ya lithiamu), na viungio. Kwa hiyo, utafiti kuhusu utendaji wa halijoto ya chini wa kila sehemu ya elektroliti ni wa umuhimu mkubwa kwa kuelewa na kuboresha utendaji wa halijoto ya chini ya betri.

Ikilinganishwa na kabonati za mnyororo, sifa za joto la chini za elektroliti zenye msingi wa EC, kabonati za mzunguko zina muundo wa kompakt, nguvu kubwa ya kutenda, na kiwango cha juu myeyuko na mnato. Hata hivyo, polarity kubwa inayoletwa na muundo wa pete hufanya mara nyingi kuwa na dielectric mara kwa mara kubwa. Dielectri kubwa isiyobadilika, upitishaji wa ioni ya juu, na sifa bora za kutengeneza filamu za vimumunyisho vya EC huzuia kikamilifu kuingizwa kwa molekuli za kutengenezea, na kuzifanya ziwe za lazima. Kwa hiyo, wengi wa kawaida kutumika mifumo ya chini-joto elektroliti ni msingi EC, na kisha kuchanganywa Small molekuli kutengenezea na kiwango cha chini myeyuko.

Chumvi ya lithiamu ni sehemu muhimu ya electrolyte. Chumvi ya lithiamu katika elektroliti haiwezi tu kuboresha conductivity ya ionic ya suluhisho, lakini pia kupunguza umbali wa kuenea kwa Li + katika suluhisho. Kwa ujumla, kadiri mkusanyiko wa Li+ kwenye suluhu unavyoongezeka, ndivyo conductivity ya ioni inavyokuwa kubwa. Walakini, ukolezi wa ioni za lithiamu katika elektroliti hauhusiani kwa usawa na mkusanyiko wa chumvi za lithiamu, lakini ni kimfano. Hii ni kwa sababu mkusanyiko wa ioni za lithiamu katika kutengenezea hutegemea nguvu ya kutengana na ushirika wa chumvi za lithiamu katika kutengenezea.

Utafiti wa Electrolyte ya Joto la Chini

Mbali na muundo wa betri yenyewe, mambo ya mchakato katika operesheni halisi pia yatakuwa na athari kubwa juu ya utendaji wa betri.
(1) Mchakato wa maandalizi. Yaqub na wenzake. ilisoma athari za mzigo wa elektrodi na unene wa mipako kwenye utendaji wa joto la chini la betri za LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite na kugundua kuwa katika suala la uhifadhi wa uwezo, jinsi shehena ya elektrodi inavyopungua na safu nyembamba ya mipako, ndivyo ilivyo chini. utendaji wa joto. .

(2) Hali ya malipo na kutolewa. Petzl na wengine. ilisoma athari za hali ya chini ya joto ya kutokwa kwa malipo kwenye maisha ya mzunguko wa betri, na ikagundua kuwa wakati kina cha kutokwa ni kikubwa, itasababisha upotezaji mkubwa wa uwezo na kupunguza maisha ya mzunguko.

(3) Mambo mengine. Eneo la uso, saizi ya vinyweleo, msongamano wa elektrodi, unyevunyevu wa elektrodi na elektroliti, na kitenganishi, n.k., vyote huathiri utendaji wa halijoto ya chini wa betri za lithiamu-ioni. Kwa kuongeza, ushawishi wa nyenzo na kasoro za mchakato kwenye utendaji wa joto la chini la betri hauwezi kupuuzwa.

Muhtasari

Ili kuhakikisha utendaji wa joto la chini la betri za lithiamu-ioni, mambo yafuatayo yanahitajika kufanywa:

(1) Tengeneza filamu nyembamba na mnene ya SEI;

(2) Hakikisha kuwa Li+ ina mgawo mkubwa wa uenezaji katika nyenzo amilifu;

(3) Electroliti ina conductivity ya juu ya ionic kwenye joto la chini.

Kwa kuongezea, utafiti unaweza pia kupata njia nyingine ya kuangalia aina nyingine ya betri ya lithiamu-ioni-yote-imara-hali ya lithiamu-ioni. Ikilinganishwa na betri za kawaida za lithiamu-ioni, betri za lithiamu-ioni zenye hali dhabiti, haswa betri za lithiamu-ioni zenye hali dhabiti, zinatarajiwa kutatua kabisa tatizo la kuharibika kwa uwezo na usalama wa mzunguko wakati betri zinatumika. joto la chini. c