چرا ظرفیت باتری لیتیومی در زمستان کمتر می شود، بالاخره یکی می تواند توضیح دهد!
از زمانی که باتریهای لیتیوم{0} یون وارد بازار شدهاند، به دلیل مزایای استفاده از عمر طولانی، ظرفیت ویژه زیاد و عدم اثر حافظه، به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتهاند. استفاده از باتریهای لیتیوم{1} در دمای پایین مشکلاتی مانند ظرفیت کم، تضعیف جدی، عملکرد ضعیف چرخه، رسوب آشکار لیتیوم، و استخراج نامتعادل لیتیوم دارد. با این حال، با گسترش مستمر زمینههای کاربردی، محدودیتهای ناشی از عملکرد ضعیف باتریهای لیتیوم- در دمای پایین، بیشتر و بیشتر آشکار میشوند.
بر اساس گزارشها، ظرفیت تخلیه باتریهای لیتیوم- در -20 درجه تنها حدود 31.5 درصد از آن در دمای اتاق است. دمای کار باتریهای لیتیوم{8} یون سنتی بین -۲۰ تا مثبت ۵۵ درجه است. اما در زمینههای هوافضا، صنایع نظامی، خودروهای الکتریکی و غیره، باتری باید در دمای ۴۰- درجه کار کند. بنابراین، بهبود خواص دمای پایین باتریهای لیتیوم یون از اهمیت بالایی برخوردار است.
عوامل محدود کننده عملکرد باتری های لیتیوم یون در دمای پایین
در یک محیط با دمای پایین، ویسکوزیته الکترولیت افزایش مییابد و حتی تا حدی جامد میشود و در نتیجه رسانایی باتریهای لیتیوم{0} یون کاهش مییابد. سازگاری بین الکترولیت و الکترود منفی و جداکننده در یک محیط با دمای پایین ضعیف می شود. الکترود منفی باتری لیتیوم{1} یونی در محیط دمای پایین دارای رسوب لیتیوم جدی است و فلز لیتیوم رسوب کرده با الکترولیت واکنش می دهد و رسوب محصول آن منجر به افزایش ضخامت جامد می شود- رابط الکترولیت (SEI). در محیط دمای پایین، سیستم انتشار باتریهای لیتیوم یونی در ماده فعال کاهش مییابد و مقاومت انتقال بار (Rct) به طور قابل توجهی افزایش مییابد.
بحث در مورد عوامل مؤثر بر عملکرد دمای پایین باتریهای لیتیوم یونی{0}}
نظر کارشناس 1: الکترولیت بیشترین تأثیر را بر عملکرد دمای پایین باتریهای لیتیومی- دارد و ترکیب و ویژگیهای فیزیکوشیمیایی الکترولیت تأثیر مهمی بر کاهش{{3} دارد. }عملکرد دمای باتری. مشکلاتی که باتری در دمای پایین با آن مواجه است عبارتند از: ویسکوزیته الکترولیت افزایش مییابد، سرعت رسانش یون کندتر میشود و در نتیجه سرعت مهاجرت الکترون مدار خارجی مطابقت ندارد، بنابراین باتری به شدت قطبی میشود. ظرفیت شارژ و دشارژ به شدت کاهش می یابد. مخصوصاً هنگام شارژ شدن در دمای پایین، یون های لیتیوم به راحتی دندریت های لیتیومی را روی سطح الکترود منفی تشکیل می دهند و در نتیجه باتری از کار می افتد.
عملکرد دمای پایین الکترولیت ارتباط نزدیکی با اندازه رسانایی خود الکترولیت دارد. الکترولیت با رسانایی بالا یون ها را به سرعت منتقل می کند و می تواند ظرفیت بیشتری را در دمای پایین اعمال کند. هر چه نمک لیتیوم در الکترولیت بیشتر تفکیک شود، تعداد مهاجرت ها بیشتر و رسانایی بیشتر می شود. هرچه رسانایی الکتریکی بیشتر باشد، سرعت انتقال یون سریعتر، قطبش کمتر و عملکرد باتری در دمای پایین بهتر است. بنابراین، هدایت الکتریکی بالاتر شرط لازم برای دستیابی به عملکرد خوب باتریهای لیتیومی در دمای پایین- است.
رسانایی الکترولیت به ترکیب الکترولیت مربوط می شود و کاهش ویسکوزیته حلال یکی از راه های بهبود رسانایی الکترولیت است. سیالیت خوب حلال در دمای پایین تضمین انتقال یون است و لایه الکترولیت جامد تشکیل شده توسط الکترولیت در الکترود منفی در دمای پایین نیز کلید تأثیرگذاری بر هدایت یون های لیتیوم است و RSEI امپدانس اصلی است. باتری های لیتیوم یونی در محیط های با دمای پایین
کارشناس 2: عامل اصلی محدود کننده عملکرد دمای پایین باتری های لیتیوم{1}یون، افزایش شدید مقاومت لیتیوم به علاوه انتشار در دماهای پایین است، نه لایه SEI.
خواص دمای پایین مواد کاتدی برای باتری های لیتیوم یونی
1. خواص دمای پایین مواد کاتدی لایه ای
ساختار لایهای نه تنها عملکرد نرخ غیرقابل مقایسه کانالهای انتشار یون لیتیوم یک بعدی-را دارد، بلکه پایداری ساختاری کانالهای سه بعدی را نیز دارد. این اولین ماده کاتدی تجاری برای باتری های لیتیوم یونی است. مواد نماینده آن LiCoO2، Li(Co1-xNix)O2 و Li(Ni، Co، Mn)O2 و غیره هستند.
Xie Xiaohua و همکاران. LiCoO2/MCMB را به عنوان هدف تحقیق در نظر گرفت و ویژگیهای تخلیه-درجه حرارت پایین-ش را آزمایش کرد.
The results show that with the decrease of temperature, the discharge platform drops from 3.762V (0 degree ) to 3.207V (–30 degree ); the total battery capacity also decreases sharply from 78.98mA·h (0 degree ) to 68.55mA·h (–30 degree ).
2. ویژگیهای دمای پایین-اسپینل-مواد کاتدی ساختاری
ساختار اسپینل مواد کاتدی LiMn2O4 دارای مزایای کم هزینه و غیر سمی بودن است زیرا حاوی عنصر Co نیست.
با این حال، تغییرپذیری ظرفیت منگنز و اثر جاهن{0}}Mn3 پلاس منجر به ناپایداری ساختاری و برگشتپذیری ضعیف این مؤلفه میشود.
پنگ ژنگشون و همکاران اشاره کرد که روش های مختلف آماده سازی تأثیر زیادی بر عملکرد الکتروشیمیایی مواد کاتدی LiMn2O4 دارند. به عنوان مثال Rct را در نظر بگیریم: Rct LiMn2O4 سنتز شده با روش فاز جامد{4}}در دمای بالا به طور قابل توجهی بیشتر از روش سل-ژل است و این پدیده در روش یون لیتیوم است. ضریب انتشار نیز منعکس شده است. دلیل آن این است که روش های مختلف سنتز تأثیر زیادی بر کریستالی و مورفولوژی محصولات دارند.
3. مشخصات دمای پایین مواد کاتدی سیستم فسفات
LiFePO4 به دلیل ثبات حجم و ایمنی عالی، همراه با مواد سه تایی، به بدنه اصلی مواد کاتد باتری فعلی تبدیل شده است. عملکرد ضعیف فسفات آهن لیتیوم در دمای پایین عمدتاً به این دلیل است که خود ماده یک عایق با رسانایی الکترونیکی کم، انتشار ضعیف یون لیتیوم و رسانایی ضعیف در دمای پایین است که باعث افزایش مقاومت داخلی باتری می شود. به شدت تحت تأثیر پلاریزاسیون قرار می گیرد و مانع از شارژ و دشارژ باتری می شود. بنابراین، عملکرد دمای پایین ایده آل نیست.
When studying the charge{{0}}discharge behavior of LiFePO4 at low temperature, Gu Yijie et al. found that its coulombic efficiency dropped from 100 percent at 55 degree to 96 percent at 0 degree and 64 percent at -20 degree , respectively; the discharge voltage decreased from 3.11V at 55 degree . Decrease to 2.62V at –20 degree .
Xing et al. modified LiFePO4 with nano-carbon and found that after adding nano-carbon conductive agent, the electrochemical performance of LiFePO4 was less sensitive to temperature, and the low-temperature performance was improved; the discharge voltage of modified LiFePO4 increased from 3.40 at 25 degree V drops to 3.09V at –25 degree , a decrease of only 9.12 percent ; and its cell efficiency at –25 degree is 57.3 percent , which is higher than 53.4 percent without nano-carbon conductive agent.
اخیراً LiMnPO4 توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این مطالعه نشان داد که LiMnPO4 دارای مزایای پتانسیل بالا (4.1 ولت)، عدم آلودگی، قیمت پایین و ظرفیت ویژه بزرگ (170mAh/g) است. با این حال، به دلیل هدایت یونی کمتر LiMnPO4 نسبت به LiFePO4، Fe اغلب برای جایگزینی جزئی منگنز برای تشکیل محلول جامد LiMn0.8Fe0.2PO4 در عمل استفاده میشود.
خواص دمای پایین مواد آند برای باتری های لیتیوم یونی
در مقایسه با مواد الکترود مثبت، بدتر شدن دمای پایین مواد الکترود منفی باتری لیتیوم یون جدی تر است، عمدتاً به سه دلیل زیر:
When the battery is charged and discharged at a high rate at low temperature, the polarization of the battery is serious, and a large amount of metal lithium is deposited on the surface of the negative electrode, and the reaction product of metal lithium and the electrolyte generally does not have conductivity; From the perspective of thermodynamics, the electrolyte contains a large amount of C–O, C– N etc.
The polar group can react with the negative electrode material, and the formed SEI film is more susceptible to low temperature; · The carbon negative electrode is difficult to intercalate lithium at low temperature, and there is asymmetric charge and discharge.
a98c6b55abdcd5adc3579beecae2cbd9.png
تحقیق در مورد الکترولیت با دمای پایین
الکترولیت نقش انتقال Li به علاوه در باتریهای لیتیوم- یونی را ایفا میکند و رسانایی یونی و ویژگیهای تشکیل لایه SEI آن تأثیر قابلتوجهی بر عملکرد-در دمای پایین باتری دارد. . سه شاخص اصلی برای قضاوت در مورد مزایا و معایب الکترولیتهای{3}در دمای پایین وجود دارد: هدایت یونی، پنجره الکتروشیمیایی و واکنشپذیری الکترود. سطح این سه شاخص تا حد زیادی به مواد تشکیل دهنده آن بستگی دارد: حلال، الکترولیت (نمک لیتیوم) و مواد افزودنی. بنابراین، تحقیق در مورد عملکرد دمای پایین هر قسمت از الکترولیت برای درک و بهبود عملکرد دمای پایین باتری از اهمیت بالایی برخوردار است.
·Low-temperature characteristics of EC-based electrolytes Compared with chain carbonates, cyclic carbonates have a tighter structure, larger acting force, and higher melting point and viscosity. However, the large polarity brought by the ring structure makes it often have a large dielectric constant. The large dielectric constant, high ionic conductivity, and excellent film-forming properties of EC solvent effectively prevent the co-insertion of solvent molecules, making it indispensable. Therefore, most of the commonly used low-temperature electrolyte systems are based on EC, and then mixed Small molecule solvent with low melting point. ·Lithium salt is an important component of electrolyte. Lithium salt in the electrolyte can not only improve the ionic conductivity of the solution, but also reduce the diffusion distance of Li plus in the solution. In general, the greater the concentration of Li plus in the solution, the greater the ionic conductivity. However, the concentration of lithium ions in the electrolyte is not linearly related to the concentration of lithium salts, but is parabolic. This is because the concentration of lithium ions in the solvent depends on the strength of the dissociation and association of lithium salts in the solvent.
تحقیق در مورد الکترولیت با دمای پایین
علاوه بر ترکیب خود باتری، عوامل فرآیند در عملکرد واقعی نیز تأثیر زیادی بر عملکرد باتری خواهند داشت.
(1) فرآیند آماده سازی یعقوب و همکاران اثر بار الکترود و ضخامت پوشش را بر عملکرد دمای پایین باتریهای LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite در دمای پایین مورد مطالعه قرار داد و دریافت که از نظر حفظ ظرفیت، بار الکترود کوچکتر و لایه پوشش نازکتر، عملکرد دمای پایین بهتری خواهد داشت. .
(2) وضعیت شارژ و تخلیه. پتزل و همکاران تأثیر-شارژ با دمای پایین-وضعیت دشارژ بر عمر چرخه باتری را بررسی کرد و دریافت که وقتی عمق تخلیه زیاد باشد، باعث کاهش ظرفیت بیشتر و کاهش عمر چرخه می شود.
(3) عوامل دیگر. مساحت سطح، اندازه منافذ، چگالی الکترود، ترشوندگی الکترود و الکترولیت، و جداکننده و غیره، همگی بر عملکرد باتریهای لیتیومی- در دمای پایین تأثیر میگذارند. علاوه بر این، تأثیر عیوب مواد و فرآیند بر عملکرد دمای پایین باتری را نمی توان نادیده گرفت.
خلاصه کنید
برای اطمینان از عملکرد دمای پایین باتریهای لیتیوم{0} یون، نکات زیر باید رعایت شود:
(1) یک فیلم SEI نازک و متراکم تشکیل دهید.
(2) اطمینان حاصل کنید که Li plus دارای ضریب انتشار زیادی در ماده فعال است.
(3) الکترولیت دارای رسانایی یونی بالایی در دمای پایین است.
علاوه بر این، این تحقیق همچنین میتواند راه دیگری برای بررسی نوع دیگری از باتریهای لیتیومی-یونی-همه-لیتیومی{3}}حالت جامد- باتریهای یونی بیابد. . در مقایسه با باتریهای یونی لیتیومی معمولی، همه باتریهای یونی-لیتیم-حالت جامد-، به ویژه-حالت جامد{10}}نازک{10} انتظار میرود باتریهای یون لیتیوم{11}}فیلم{12}} مشکل کاهش ظرفیت و ایمنی چرخه را در هنگام استفاده از باتریها در دماهای پایین کاملاً حل کنند.
