Kodėl ličio akumuliatoriaus talpa žiemą tampa mažesnė, pagaliau kas nors gali tai paaiškinti!
Kadangi ličio jonų baterijos pateko į rinką, jos buvo plačiai naudojamos dėl jų ilgaamžiškumo privalumų, didelės specifinės talpos ir atminties efekto. Žemos temperatūros ličio jonų baterijų naudojimas turi problemų, tokių kaip maža talpa, rimtas slopinimas, prastas ciklo našumas, akivaizdus ličio nusėdimas ir nesubalansuotas ličio gavyba. Tačiau, nuolat plečiantis taikymo laukams, apribojimai, kuriuos sukelia prastas ličio jonų baterijų žemos temperatūros veikimas, tampa vis akivaizdesni.
Remiantis pranešimais, ličio jonų baterijų išleidimo pajėgumas -20 °C temperatūroje yra tik apie 31,5% kambario temperatūros. Tradicinių ličio jonų baterijų darbinė temperatūra yra nuo -20 iki +55 °C. Tačiau aeronautikos, karinės pramonės, elektrinių transporto priemonių ir kt. srityse akumuliatorius turi normaliai veikti -40 °C temperatūroje. Todėl labai svarbu pagerinti ličio jonų baterijų žemos temperatūros savybes.
Veiksniai, ribojantys ličio jonų baterijų žemos temperatūros veikimą
Žemos temperatūros aplinkoje elektrolito klampumas didėja ir net iš dalies sukietėja, todėl sumažėja ličio jonų baterijų laidumas. Elektrolito ir neigiamo elektrodų bei separatoriaus suderinamumas tampa prastas žemos temperatūros aplinkoje. Neigiamas ličio jonų akumuliatoriaus elektrodas turi rimtų ličio kritulių esant žemai temperatūrai, o nusodintas metalinis ličio reaguoja su elektrolitu, o jo produkto nusėdimas padidina kieto ir elektrolito sąsajos (SEI) storį. Žemos temperatūros aplinkoje ličio jonų baterijų difuzijos sistema aktyvioje medžiagoje mažėja, o įkrovimo perdavimo atsparumas (Rct) žymiai padidėja.
Diskusija apie veiksnius, turinčius įtakos ličio jonų baterijų žemos temperatūros veikimui
1 ekspertų nuomonė: Elektrolitas turi didžiausią poveikį ličio jonų baterijų žemos temperatūros veikimui, o elektrolito sudėtis ir fizinės bei cheminės savybės turi didelę įtaką akumuliatoriaus žemos temperatūros veikimui. Problemos, su kuriomis susiduria akumuliatorius žemoje temperatūroje, yra šios: padidės elektrolito klampumas, jonų laidumo greitis taps lėtesnis, todėl išorinės grandinės elektronų migracijos greitis nesutampa, todėl akumuliatorius bus labai poliarizuotas, o įkrovimo ir iškrovimo talpa smarkiai sumažės. Ypač įkraunant žemoje temperatūroje, ličio jonai lengvai sudaro ličio dendritus ant neigiamo elektrodų paviršiaus, todėl akumuliatoriaus gedimas.
Žemos temperatūros elektrolito veikimas yra glaudžiai susijęs su paties elektrolito laidumo dydžiu. Elektrolitas su dideliu laidumu greitai perduoda jonus ir gali daryti daugiau pajėgumų žemoje temperatūroje. Kuo labiau atsieta ličio druska elektrolite, tuo didesnis migracijos skaičius ir tuo didesnis laidumas. Kuo didesnis elektrinis laidumas, tuo greitesnis jonų laidumo greitis, tuo mažesnė poliarizacija ir tuo geresnis akumuliatoriaus veikimas žemoje temperatūroje. Todėl didesnis elektrinis laidumas yra būtina sąlyga norint pasiekti gerą ličio jonų baterijų žemos temperatūros našumą.
Elektrolito laidumas yra susijęs su elektrolito sudėtimi, o tirpiklio klampumo mažinimas yra vienas iš būdų pagerinti elektrolito laidumą. Geras tirpiklio sklandumas žemoje temperatūroje yra jonų transportavimo garantija, o kieta elektrolitų plėvelė, kurią elektrolitas sudaro neigiamame elektrode esant žemai temperatūrai, taip pat yra raktas į įtaką ličio jonų laidumui, o RSEI yra pagrindinė ličio jonų baterijų kliūtis žemos temperatūros aplinkoje.
2 ekspertas: Pagrindinis veiksnys, ribojantis ličio jonų baterijų žemos temperatūros našumą, yra smarkiai padidėjęs Li+ difuzijos atsparumas esant žemai temperatūrai, o ne SEI plėvelė.
Ličio jonų baterijų katodinių medžiagų žemos temperatūros savybės
1. Sluoksniuotų katodinių medžiagų žemos temperatūros savybės
Sluoksniuota struktūra ne tik turi neprilygstamą vienmačių ličio jonų difuzijos kanalų greitį, bet ir turi trimačių kanalų struktūrinį stabilumą. Tai ankstyviausia komercinė katodo medžiaga ličio jonų baterijoms. Jo reprezentatyvios medžiagos yra LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 ir Li(Ni, Co, Mn)O2 ir pan.
Xie Xiaohua ir kt. paėmė LiCoO2 / MCMB kaip tyrimo objektą ir išbandė žemos temperatūros įkrovimo ir išleidimo charakteristikas.
Rezultatai rodo, kad sumažėjus temperatūrai, išleidimo platforma nukrenta nuo 3,762V (0°C) iki 3,207V (–30°C); bendra akumuliatoriaus talpa taip pat smarkiai sumažėja nuo 78,98 mA·h (0°C) iki 68,55 mA·h (–30°C).
2. Vertelio struktūrizuotų katodų medžiagų žemos temperatūros charakteristikos
Sukelio struktūra LiMn2O4 katodo medžiaga turi pigių ir netoksiškumo privalumų, nes joje nėra Co elemento.
Tačiau Mn valentingumas ir Mn3+ Jahn-Teller poveikis lemia struktūrinį nestabilumą ir prastą šio komponento grįžtamumą.
Peng Zhengshun ir kt. nurodė, kad skirtingi paruošimo metodai turi didelę įtaką LiMn2O4 katodo medžiagų elektrocheminiam veikimui. Kaip pavyzdį paimkime Rct: LiMn2O4 Rct, sintezuotas aukštos temperatūros kietosios fazės metodu, yra žymiai didesnis nei sol-gelio metodo, ir šis reiškinys yra ličio jonų metodas. Taip pat atsispindi difuzijos koeficientas. Priežastis yra ta, kad skirtingi sintezės metodai turi didelę įtaką produktų kristališkumui ir morfologijai.
3. Fosfatų sistemos katodo medžiagų žemos temperatūros charakteristikos
Dėl puikaus tūrio stabilumo ir saugumo LiFePO4 kartu su ternary medžiagomis tapo pagrindiniu dabartinių maitinimo baterijų katodų medžiagų korpusu. Prastas ličio geležies fosfato žemos temperatūros našumas daugiausia susijęs su tuo, kad pati medžiaga yra izoliatorius, turintis mažą elektroninį laidumą, prastą ličio jonų difuzija ir prastą laidumą žemoje temperatūroje, o tai padidina vidinį akumuliatoriaus atsparumą, kurį labai veikia poliarizacija ir trukdo įkrauti ir įkrauti akumuliatorių. Todėl žemos temperatūros našumas nėra idealus.
Tyrinėdamas LiFePO4 įkrovimo ir išleidimo elgesį žemoje temperatūroje, Gu Yijie ir kt. nustatė, kad jo coulombic efektyvumas sumažėjo atitinkamai nuo 100% esant 55 °C iki 96% 0 °C temperatūroje ir 64% -20 °C temperatūroje; išleidimo įtampa sumažėjo nuo 3,11V esant 55°C temperatūrai. Sumažinkite iki 2,62V esant -20°C temperatūrai.
Xing et al. modifikavo LiFePO4 nano anglimi ir nustatė, kad pridėjus nano anglies laidžią medžiagą, LiFePO4 elektrocheminis veikimas buvo mažiau jautrus temperatūrai, o žemos temperatūros našumas pagerėjo; modifikuoto LiFePO4 išleidimo įtampa padidėjo nuo 3,40 esant 25 °C V temperatūrai iki 3,09 V esant –25°C temperatūrai, t. y. sumažėjo tik 9,12 %; o jo ląstelių efektyvumas -25°C temperatūroje yra 57,3%, o tai yra daugiau nei 53,4% be nano anglies laidžios medžiagos.
Pastaruoju metu LiMnPO4 sulaukė didelio susidomėjimo. Tyrime nustatyta, kad LiMnPO4 turi didelį potencialą (4,1V), jokios taršos, mažos kainos ir didelės specifinės talpos (170 mAh / g) privalumus. Tačiau dėl mažesnio LiMnPO4 joninio laidumo nei LiFePO4 Fe dažnai naudojamas iš dalies pakeisti Mn, kad praktiškai sudarytų LiMn0.8Fe0.2PO4 tvirtą sprendimą.
Ličio jonų baterijų anodų medžiagų žemos temperatūros savybės
Palyginti su teigiama elektrodų medžiaga, ličio jonų akumuliatoriaus neigiamos elektrodinės medžiagos žemos temperatūros pablogėjimas yra rimtesnis, daugiausia dėl šių trijų priežasčių:
Kai akumuliatorius įkraunamas ir iškraunamas aukštu greičiu žemoje temperatūroje, akumuliatoriaus poliarizacija yra rimta, o didelis metalo ličio kiekis nusėda ant neigiamo elektrodų paviršiaus, o metalo ličio ir elektrolito reakcijos produktas paprastai neturi laidumo; Termodinamikos požiūriu elektrolite yra daug C–O, C– N ir kt.
Poliarinė grupė gali reaguoti su neigiama elektrodų medžiaga, o suformuota SEI plėvelė yra jautresnė žemai temperatūrai; · Anglies neigiamas elektrodas yra sunku atskirti ličio žemoje temperatūroje, ir yra asimetriškas krūvis ir iškrovimas.
a98c6b55abdcd5adc3579beecae2cbd9.png
Žemos temperatūros elektrolito tyrimai
Elektrolitas atlieka li+ transportavimo ličio jonų baterijose vaidmenį, o jo jonų laidumas ir SEI plėvelės formavimo savybės turi didelę įtaką akumuliatoriaus žemos temperatūros veikimui. Yra trys pagrindiniai žemos temperatūros elektrolitų privalumų ir trūkumų vertinimo rodikliai: joninis laidumas, elektrocheminis langas ir elektrodų reaktyvumas. Šių trijų rodiklių lygis labai priklauso nuo jo sudedamųjų medžiagų: tirpiklio, elektrolito (ličio druskos) ir priedų. Todėl kiekvienos elektrolito dalies žemos temperatūros veikimo tyrimai yra labai svarbūs norint suprasti ir pagerinti žemos temperatūros akumuliatoriaus veikimą.
· Eb pagrindu pagamintų elektrolitų žemos temperatūros charakteristikos Palyginti su grandininiais karbonatais, cikliniai karbonatai turi griežtesnę struktūrą, didesnę veikimo jėgą ir aukštesnę lydymosi temperatūrą bei klampumą. Tačiau didelis poliškumas, kurį sukelia žiedo struktūra, dažnai turi didelę dielektrinę konstantą. Didelė dielektrinė konstanta, didelis joninis laidumas ir puikios EB tirpiklio plėvelės formavimo savybės veiksmingai užkerta kelią tirpiklių molekulių įterpimui, todėl tai būtina. Todėl dauguma dažniausiai naudojamų žemos temperatūros elektrolitų sistemų yra pagrįstos EB, o po to sumaišo mažų molekulių tirpiklį su maža lydymosi temperatūra. · Ličio druska yra svarbi elektrolito sudedamoji dalis. Ličio druska elektrolite gali ne tik pagerinti tirpalo joninį laidumą, bet ir sumažinti Li+ difuzijos atstumą tirpale. Apskritai, kuo didesnė Li+ koncentracija tirpale, tuo didesnis joninis laidumas. Tačiau ličio jonų koncentracija elektrolite nėra beveik susijusi su ličio druskų koncentracija, bet yra parabolinė. Taip yra todėl, kad ličio jonų koncentracija tirpiklyje priklauso nuo ličio druskų disociacijos stiprumo ir sujungimo tirpiklyje.
Žemos temperatūros elektrolito tyrimai
Be pačios baterijos sudėties, faktinio veikimo proceso veiksniai taip pat turės didelį poveikį akumuliatoriaus veikimui.
1) Paruošimo procesas. Yaqub et al. ištyrė elektrodų apkrovos ir dangos storio poveikį liNi0.6Co0.6Co0.2Mn0.2Mn0.2O2 /grafito baterijų žemos temperatūros veikimui ir nustatė, kad, kalbant apie talpos išlaikymą, kuo mažesnė elektrodų apkrova ir kuo plonesnis dangos sluoksnis, tuo geresnis žemos temperatūros veikimas. .
(2) Apmokestinimo ir biudžeto įvykdymo patvirtinimo būklė. Petzl et al. ištyrė žemos temperatūros įkrovimo-iškrovimo būsenos poveikį akumuliatoriaus ciklo laikui ir nustatė, kad kai iškrovimo gylis yra didelis, tai sukels didesnį pajėgumo praradimą ir sutrumpins ciklo trukmę.
3) Kiti veiksniai. Paviršiaus plotas, porų dydis, elektrodų tankis, elektrodų ir elektrolitų, separatoriaus ir kt. drėgnumas turi įtakos ličio jonų baterijų žemos temperatūros veikimui. Be to, negalima ignoruoti medžiagų ir proceso defektų įtakos akumuliatoriaus žemos temperatūros veikimui.
Apibendrinti
Siekiant užtikrinti žemą ličio jonų baterijų veikimą, reikia atlikti šiuos dalykus:
(1) Suformuokite ploną ir tankią SEI plėvelę;
(2) Užtikrinti, kad li+ veikliojoje medžiagoje būtų didelis difuzijos koeficientas;
(3) Elektrolitas turi aukštą joninį laidumą žemoje temperatūroje.
Be to, tyrimai taip pat gali rasti kitą būdą pažvelgti į kito tipo ličio jonų bateriją- kietojo kūno ličio jonų bateriją. Palyginti su įprastomis ličio jonų baterijomis, tikimasi, kad visos kietojo kūno ličio jonų baterijos, ypač kietojo kūno plonasluoksnės ličio jonų baterijos, visiškai išspręs pajėgumų sumažėjimo ir ciklo saugos problemą, kai baterijos naudojamos žemoje temperatūroje.
