2024-04-26
Varför minskar litiumbatteriets kapacitet på vintern
Varför minskar litiumbatteriets kapacitet på vintern?
Sedan de kom in på marknaden har litiumjonbatterier använts flitigt på grund av deras fördelar som lång livslängd, stor specifik kapacitet och ingen minneseffekt. Lågtemperaturanvändning av litiumjonbatterier har problem som låg kapacitet, kraftig dämpning, dålig cykelhastighet, uppenbar litiumutveckling och obalanserad borttagning och insättning av litium. Men med den kontinuerliga expansionen av applikationsfält blir begränsningarna som orsakas av litiumjonbatteriers dåliga lågtemperaturprestanda allt mer uppenbara.
Sedan litiumjonbatterier kom in på marknaden har de använts flitigt på grund av deras fördelar som lång livslängd, stor specifik kapacitet och ingen minneseffekt. Litiumjonbatterier som används vid låga temperaturer har problem som låg kapacitet, allvarlig dämpning, dålig cykelhastighetsprestanda, uppenbar litiumutfällning och obalanserad litiumdeinterkalering och -deinterkalering. Men när tillämpningsområdena fortsätter att expandera har begränsningarna som orsakas av litiumjonbatteriers dåliga lågtemperaturprestanda blivit allt mer uppenbara.
Enligt rapporter är urladdningskapaciteten för litiumjonbatterier vid -20 ℃ endast cirka 31,5 % av den vid rumstemperatur. Traditionella litiumjonbatterier fungerar vid temperaturer mellan -20~+55 ℃. Men inom områden som flyg-, militär- och elfordon krävs det att batteriet kan fungera normalt vid -40 ℃. Därför är det av stor betydelse att förbättra lågtemperaturegenskaperna hos litiumjonbatterier.
Enligt rapporter är urladdningskapaciteten för litiumjonbatterier vid -20°C endast cirka 31,5 % av den vid rumstemperatur. Driftstemperaturen för traditionella litiumjonbatterier är mellan -20~+55 ℃. Men inom flyg-, militärindustri, elfordon och andra områden krävs batterier för att fungera normalt vid -40°C. Därför är det av stor betydelse att förbättra lågtemperaturegenskaperna hos litiumjonbatterier.
Faktorer som begränsar prestanda vid låga temperaturer hos litiumjonbatterier
Diskussion om faktorer som påverkar lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier
Expertutlåtande 1: Elektrolyt har störst inverkan på lågtemperaturprestandan hos litiumjonbatterier, och elektrolytens sammansättning och fysikalisk-kemiska egenskaper har en viktig inverkan på lågtemperaturprestandan hos batterier. Problemet med lågtemperaturcykling av batterier är att elektrolytens viskositet ökar, jonledningshastigheten saktar ner och migrationshastigheten för elektroner i den externa kretsen stämmer inte överens, vilket resulterar i kraftig polarisering av batteriet och en skarp minskad laddnings- och urladdningskapacitet. Speciellt vid laddning vid låga temperaturer kan litiumjoner lätt bilda litiumdendriter på den negativa elektrodytan, vilket leder till batterifel.
Expertutlåtande 1: Elektrolyten har störst inverkan på lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier Elektrolytens sammansättning och fysikaliska och kemiska egenskaper har en viktig inverkan på batteriets lågtemperaturprestanda. Problemet med batterier som cyklar vid låga temperaturer är att elektrolytens viskositet kommer att öka och jonledningshastigheten kommer att sakta ner, vilket resulterar i en oöverensstämmelse i elektronmigreringshastigheten för den externa kretsen polariserad och laddnings- och urladdningskapaciteten kommer att minska kraftigt. Speciellt vid laddning vid låga temperaturer kan litiumjoner lätt bilda litiumdendriter på ytan av den negativa elektroden, vilket orsakar batterifel.
En elektrolyts lågtemperaturprestanda är nära relaterad till dess egen konduktivitet. Elektrolyter med hög konduktivitet transporterar joner snabbt och kan utöva mer kapacitet vid låga temperaturer. Ju mer litiumsalter som dissocierar i elektrolyten, desto mer migration sker och desto högre ledningsförmåga. Ju högre ledningsförmåga och desto snabbare jonledningshastighet, desto mindre får polariseringen och desto bättre prestanda har batteriet vid låga temperaturer. Därför är en högre ledningsförmåga en nödvändig förutsättning för att uppnå goda lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier.
Elektrolytens lågtemperaturprestanda är nära relaterad till elektrolytens ledningsförmåga. Elektrolyten med hög ledningsförmåga kan transportera joner snabbt och kan utöva mer kapacitet vid låga temperaturer. Ju fler litiumsalter i elektrolyten som dissocieras, desto fler migrationer och desto högre ledningsförmåga. Konduktiviteten är hög, och ju snabbare jonledningshastigheten är, desto mindre är polarisationen och desto bättre prestanda är batteriet vid låga temperaturer. Därför är högre ledningsförmåga en nödvändig förutsättning för att uppnå goda lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier.
Konduktiviteten hos en elektrolyt är relaterad till dess sammansättning, och att minska lösningsmedlets viskositet är ett av sätten att förbättra elektrolytens ledningsförmåga. Lösningsmedlens goda flytbarhet vid låga temperaturer är en garanti för jontransport, och den fasta elektrolytfilmen som bildas av elektrolyten på den negativa elektroden vid låga temperaturer är också en nyckelfaktor som påverkar litiumjonledning, och RSEI är huvudimpedansen för litium- jonbatterier i lågtemperaturmiljöer.
Elektrolytens ledningsförmåga är relaterad till elektrolytens sammansättning Att minska lösningsmedlets viskositet är ett av sätten att förbättra elektrolytens ledningsförmåga. Lösningsmedlets goda flytbarhet vid låga temperaturer säkerställer jontransport, och den fasta elektrolytfilmen som bildas av elektrolyten på den negativa elektroden vid låga temperaturer är också nyckeln till att påverka litiumjonledning, och RSEI är huvudimpedansen för litiumjonbatterier i lågtemperaturmiljöer.
Expert 2: Den huvudsakliga faktorn som begränsar lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier är den snabbt ökande Li+diffusionsimpedansen vid låga temperaturer, snarare än SEI-membranet.
Expert 2: Den huvudsakliga faktorn som begränsar lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier är den kraftiga ökningen av Li+ diffusionsmotstånd vid låga temperaturer, inte SEI-filmen.
Lågtemperaturegenskaper hos positiva elektrodmaterial för litiumjonbatterier
Lågtemperaturegenskaper hos katodmaterial för litiumjonbatterier
1. Lågtemperaturegenskaper hos skiktade positiva elektrodmaterial
1. Lågtemperaturegenskaper hos katodmaterial med skiktad struktur
Skiktad struktur, med oöverträffad hastighetsprestanda jämfört med endimensionella litiumjondiffusionskanaler och strukturell stabilitet hos tredimensionella kanaler, är det tidigaste kommersiellt tillgängliga positiva elektrodmaterialet för litiumjonbatterier. Dess representativa ämnen inkluderar LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 och Li (Ni, Co, Mn) O2.
Den skiktade strukturen har inte bara oöverträffad hastighet av endimensionella litiumjondiffusionskanaler, utan har också den strukturella stabiliteten hos tredimensionella kanaler. Det är det tidigaste kommersiella litiumjonbatteriets katodmaterial. Dess representativa ämnen inkluderar LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 och Li(Ni,Co,Mn)O2, etc.
Xie Xiaohua et al. studerade LiCoO2/MCMB och testade dess lågtemperaturladdnings- och urladdningsegenskaper.
Xie Xiaohua och andra använde LiCoO2/MCMB som forskningsobjekt och testade dess lågtemperaturladdnings- och urladdningsegenskaper.
Resultaten visade att när temperaturen minskade, minskade urladdningsplatån från 3,762V (0 ℃) till 3,207 V (-30 ℃); Den totala batterikapaciteten har också kraftigt minskat från 78,98mA · h (0 ℃) till 68,55 mA · h (-30 ℃).
Resultaten visar att när temperaturen sjunker, sjunker dess urladdningsplattform från 3,762 V (0 ℃) till 3,207 V (–30 ℃) dess totala batterikapacitet sjunker också kraftigt från 78,98 mA·h (0 ℃) till 68,55 mA·h; (–30°C).
2. Lågtemperaturegenskaper hos spinellstrukturerade katodmaterial
2. Lågtemperaturegenskaper hos katodmaterial med spinellstruktur
Det spinellstrukturerade LiMn2O4-katodmaterialet har fördelarna med låg kostnad och icke-toxicitet på grund av sin frånvaro av Co-element.
Spinellstrukturen LiMn2O4 katodmaterial innehåller inte Co-element, så det har fördelarna med låg kostnad och icke-toxicitet.
Men de variabla valenstillstånden för Mn och Jahn Teller-effekten av Mn3+ resulterar i strukturell instabilitet och dålig reversibilitet för denna komponent.
Det variabla valenstillståndet för Mn och Jahn-Teller-effekten av Mn3+ leder emellertid till strukturell instabilitet och dålig reversibilitet för denna komponent.
Peng Zhengshun et al. påpekade att olika beredningsmetoder har stor inverkan på den elektrokemiska prestandan hos LiMn2O4 katodmaterial. Ta Rct som ett exempel: Rct för LiMn2O4 syntetiserad med högtemperaturfastfasmetoden är betydligt högre än den som syntetiseras med solgelmetoden, och detta fenomen återspeglas också i litiumjondiffusionskoefficienten. Den främsta anledningen till detta är att olika syntesmetoder har en betydande inverkan på produkternas kristallinitet och morfologi.
Peng Zhengshun et al påpekade att olika beredningsmetoder har en större inverkan på den elektrokemiska prestandan för LiMn2O4-katodmaterial med Rct som ett exempel: Rct av LiMn2O4 som syntetiseras med högtemperaturfastfasmetoden är betydligt högre än den som syntetiseras. med sol-gel-metoden, och detta fenomen förekommer i litiumjoner. Det återspeglas också i diffusionskoefficienten. Anledningen beror främst på det stora inflytandet av olika syntesmetoder på produktens kristallinitet och morfologi.
3. Lågtemperaturegenskaper hos fosfatsystemkatodmaterial
3. Lågtemperaturegenskaper hos katodmaterial i fosfatsystemet
LiFePO4, tillsammans med ternära material, har blivit det huvudsakliga positiva elektrodmaterialet för kraftbatterier på grund av dess utmärkta volymstabilitet och säkerhet.
Spinellstrukturen LiMn2O4 katodmaterial innehåller inte Co-element, så det har fördelarna med låg kostnad och icke-toxicitet.
Litiumjärnfosfats dåliga lågtemperaturprestanda beror främst på att dess material är en isolator, låg elektronisk konduktivitet, dålig litiumjondiffusion och dålig konduktivitet vid låga temperaturer, vilket ökar batteriets inre motstånd och påverkas kraftigt av polarisering , hindrar laddning och urladdning av batteriet, vilket resulterar i otillfredsställande lågtemperaturprestanda.
På grund av sin utmärkta volymstabilitet och säkerhet har LiFePO4, tillsammans med ternära material, blivit huvuddelen av nuvarande katodmaterial för kraftbatterier. Den dåliga lågtemperaturprestandan hos litiumjärnfosfat beror främst på att materialet i sig är en isolator, med låg elektronisk ledningsförmåga, dålig litiumjondiffusivitet och dålig ledningsförmåga vid låga temperaturer, vilket ökar batteriets inre motstånd och påverkas kraftigt av polarisering Batteriets laddning och urladdning är blockerade, så låg temperatur Prestanda är inte idealisk.
När man studerar laddnings- och urladdningsbeteendet för LiFePO4 vid låga temperaturer, Gu Yijie et al. fann att dess Coulombic-effektivitet minskade från 100 % vid 55 ℃ till 96 % vid 0 ℃ respektive 64 % vid -20 ℃; Urladdningsspänningen minskar från 3,11V vid 55 ℃ till 2,62V vid -20 ℃.
När Gu Yijie et al studerade laddningen och urladdningen av LiFePO4 vid låga temperaturer, fann de att dess Coulombic-effektivitet sjönk från 100 % vid 55°C till 96 % vid 0°C respektive 64 % urladdningsspänningen sjunkit från 3,11V vid 55°C Minskar till 2,62V vid –20°C.
Xing et al. modifierade LiFePO4 med nanokol och fann att tillsatsen av ledande nanokolväten minskade känsligheten hos LiFePO4:s elektrokemiska prestanda för temperatur och förbättrade dess lågtemperaturprestanda; Urladdningsspänningen för modifierad LiFePO4 minskade från 3,40 V vid 25 ℃ till 3,09 V vid -25 ℃, med en minskning på endast 9,12 %; Och dess batterieffektivitet är 57,3 % vid -25 ℃, högre än 53,4 % utan ledande nanokolväten.
Xing et al. använde nanocarbon för att modifiera LiFePO4 och fann att efter tillsats av nanocarbon ledande medel var de elektrokemiska egenskaperna hos LiFePO4 mindre känsliga för temperatur och lågtemperaturprestandan förbättrades efter modifiering, urladdningsspänningen för LiFePO4 ökade från 3,40 till 3,40 vid 25 °C sjönk V till 3,09 V vid –25 °C, en minskning med endast 9,12 % och dess batterieffektivitet vid –25 °C var 57,3 %, högre än 53,4 % utan ledande nanokol.
Den senaste tiden har LiMnPO4 väckt stort intresse bland människor. Forskning har funnit att LiMnPO4 har fördelar som hög potential (4,1V), ingen förorening, lågt pris och stor specifik kapacitet (170mAh/g). På grund av den lägre joniska konduktiviteten hos LiMnPO4 jämfört med LiFePO4, används Fe ofta för att delvis ersätta Mn för att i praktiken bilda fasta LiMn0.8Fe0.2PO4-lösningar.
Den senaste tiden har LiMnPO4 rönt stort intresse. Forskning har funnit att LiMnPO4 har fördelarna med hög potential (4,1V), ingen förorening, lågt pris och stor specifik kapacitet (170mAh/g). På grund av den lägre joniska konduktiviteten hos LiMnPO4 än LiFePO4, används Fe ofta för att delvis ersätta Mn i praktiken för att bilda LiMn0.8Fe0.2PO4 fast lösning.
Lågtemperaturegenskaper hos anodmaterial för litiumjonbatterier
Jämfört med positiva elektrodmaterial är nedbrytningsfenomenet vid låg temperatur av negativa elektrodmaterial i litiumjonbatterier allvarligare, främst på grund av följande tre skäl:
Jämfört med katodmaterial är lågtemperaturförsämringen av anodmaterial från litiumjonbatterier allvarligare. Det finns tre huvudorsaker:
Forskning om lågtemperaturelektrolyter
Forskning om lågtemperaturelektrolyt
Elektrolyten spelar en roll för att överföra Li+in litiumjonbatterier, och dess jonledningsförmåga och SEI-filmbildningsprestanda har en betydande inverkan på batteriets lågtemperaturprestanda. Det finns tre huvudindikatorer för att bedöma kvaliteten på lågtemperaturelektrolyter: jonledningsförmåga, elektrokemiskt fönster och elektrodreaktionsaktivitet. Nivån på dessa tre indikatorer beror till stor del på deras ingående material: lösningsmedel, elektrolyter (litiumsalter) och tillsatser. Därför är studiet av lågtemperaturprestanda hos olika delar av elektrolyten av stor betydelse för att förstå och förbättra lågtemperaturprestanda hos batterier.
Elektrolyten spelar en roll för att transportera Li+ i litiumjonbatterier, och dess jonledningsförmåga och SEI-filmbildande egenskaper har en betydande inverkan på batteriets lågtemperaturprestanda. Det finns tre huvudindikatorer för att bedöma kvaliteten på lågtemperaturelektrolyter: jonkonduktivitet, elektrokemiskt fönster och elektrodreaktivitet. Nivåerna av dessa tre indikatorer beror till stor del på deras ingående material: lösningsmedel, elektrolyt (litiumsalt) och tillsatser. Därför är studiet av lågtemperaturegenskaperna hos olika delar av elektrolyten av stor betydelse för att förstå och förbättra batteriets lågtemperaturprestanda.
Litiumsalt är en viktig komponent i elektrolyten. Litiumsalt i elektrolyten kan inte bara öka lösningens jonledningsförmåga, utan också minska diffusionsavståndet för Li+ i lösningen. Generellt sett gäller att ju högre Li+-koncentrationen är i lösningen, desto större är dess jonledningsförmåga. Litiumjonkoncentrationen i elektrolyten är emellertid inte linjärt relaterad till litiumsaltkoncentrationen, utan är parabolisk. Detta beror på att koncentrationen av litiumjoner i lösningsmedlet beror på styrkan av dissociationen och associationen av litiumsaltet i lösningsmedlet.
Forskning om lågtemperaturelektrolyter
Forskning om lågtemperaturelektrolyt
Förutom själva batterisammansättningen kan processfaktorer i praktisk drift också ha en betydande inverkan på batteriets prestanda.
Förutom själva batterisammansättningen kommer processfaktorer i faktisk drift också att ha stor inverkan på batteriets prestanda.
(1) Förberedelseprocess. Yaqub et al. studerade effekten av elektrodbelastning och beläggningstjocklek på lågtemperaturprestandan hos LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite-batterier och fann att när det gäller kapacitetsbevarande, ju mindre elektrodbelastning och ju tunnare beläggningslagret, desto bättre är det. prestanda vid låg temperatur.
(1) Förberedelseprocess. Yaqub et al. studerade effekterna av elektrodbelastning och beläggningstjocklek på lågtemperaturprestandan hos LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite-batterier och fann att när det gäller kapacitetsretention, ju mindre elektrodbelastning och tunnare beläggningslager. , desto bättre prestanda vid låga temperaturer.
(2) Laddnings- och urladdningsstatus. Petzl et al. studerat effekten av lågtemperaturladdnings- och urladdningsförhållanden på batteriernas livslängd och fann att när urladdningsdjupet är stort kommer det att orsaka betydande kapacitetsförluster och minska cykellivslängden.
(2) Laddnings- och urladdningstillstånd. Petzl et al. studerade inverkan av lågtemperaturladdnings- och urladdningstillstånd på batteriets livslängd och fann att när urladdningsdjupet är stort, kommer det att orsaka större kapacitetsförlust och minska cykellivslängden.
(3) Andra faktorer. Ytan, porstorleken, elektrodensiteten, vätbarheten mellan elektroden och elektrolyten och separatorn påverkar alla lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier. Dessutom kan inverkan av material- och processdefekter på batteriernas lågtemperaturprestanda inte ignoreras.
(3) Andra faktorer. Ytarean, porstorleken, elektrodensiteten hos elektroden, vätbarheten hos elektroden och elektrolyten samt separatorn påverkar alla lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier. Dessutom kan inverkan av defekter i material och processer på batteriernas lågtemperaturprestanda inte ignoreras.
Sammanfattning
Sammanfatta
För att säkerställa lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier måste följande punkter göras väl:
(1) Bildning av en tunn och tät SEI-film;
(2) Se till att Li+ har en hög diffusionskoefficient i den aktiva substansen;
(3) Elektrolyter har hög jonledningsförmåga vid låga temperaturer.
Dessutom kan forskningen ta ett annat grepp och fokusera på en annan typ av litiumjonbatterier – alla solid state litiumjonbatterier. Jämfört med konventionella litiumjonbatterier, förväntas alla solid-state litium-jon-batterier, särskilt alla solid-state tunnfilm litium-jon-batterier, helt lösa kapacitetsförsämringen och cykelsäkerhetsproblemen för batterier som används vid låga temperaturer.
För att säkerställa lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier måste följande punkter göras:
(1) Forma en tunn och tät SEI-film;
(2) Se till att Li+ har en stor diffusionskoefficient i det aktiva materialet;
(3) Elektrolyten har hög jonledningsförmåga vid låga temperaturer.
Dessutom kan forskningen också hitta ett annat sätt att fokusera på en annan typ av litiumjonbatteri-helt fast tillstånd litiumjonbatteri. Jämfört med konventionella litiumjonbatterier förväntas hel-solid-state litium-jon-batterier, särskilt hel-solid-state tunnfilm litium-jon-batterier, helt lösa problemet med kapacitetsdämpning och cykelsäkerhetsproblem för batterier som används på låga temperaturer.