Zergatik murrizten da litiozko baterien ahalmena neguan? Azkenik, norbaitek azal dezake!

Zergatik murrizten da litiozko baterien ahalmena neguan? Azkenik, norbaitek azal dezake!

Merkatuan sartu zirenetik, litio-ioizko bateriak oso erabiliak izan dira beren abantailengatik, hala nola, iraupen luzea, gaitasun espezifiko handia eta memoria efekturik ez. Tenperatura baxuetan erabiltzen diren litio ioizko bateriak arazoak dituzte, hala nola, gaitasun baxua, atenuazio larria, txirrindularitzaren errendimendu eskasa, litioaren bilakaera nabaria eta litioa kentzea eta sartzea desorekatua. Hala ere, aplikazio-eremuen etengabeko hedapenarekin, litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimendu eskasak eragindako mugak gero eta nabarmenagoak dira.

Txostenen arabera, -20 ℃-tan litio-ioizko baterien deskarga-gaitasuna giro-tenperaturan dagoenaren % 31,5 baino ez da. Litio-ioizko bateria tradizionalek -20 ~ + 55 ℃ arteko tenperaturetan funtzionatzen dute. Hala ere, ibilgailu aeroespazialean, militarretan eta elektrikoetan, bateriak normalean -40 ℃-tan funtzionatu behar dira. Hori dela eta, litio-ioizko baterien tenperatura baxuko propietateak hobetzea garrantzi handia du.

Litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimendua murrizten duten faktoreak

• Tenperatura baxuko inguruneetan, elektrolitoaren biskositatea handitu egiten da eta partzialki solidotzen da, litio-ioizko baterien eroankortasuna murrizten delarik.
• Elektrolitoaren, elektrodo negatiboaren eta bereizgailuaren arteko bateragarritasuna hondatzen da tenperatura baxuko inguruneetan.
• Tenperatura baxuko baldintzetan, litio-ioizko baterien elektrodo negatiboak litio-ko prezipitazio larriak jasaten ditu, eta hauspeatutako litio metalikoak elektrolitoarekin erreakzionatzen du, egoera solidoko elektrolito-interfazearen (SEI) lodiera handitzen duten produktuak metatzen direlarik.
• Tenperatura baxuko inguruneetan, litio-ioizko baterien material aktiboaren barneko difusio-sistema gutxitzen da eta karga-transferentzia inpedantzia (Rct) nabarmen handitzen da.

Litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimenduan eragiten duten faktoreei buruzko eztabaida

Adituen 1. ikuspegia: elektrolitoak du eragin handiena litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimenduan, eta elektrolitoaren konposizioak eta propietate fisikokimikoak eragin handia dute bateriaren tenperatura baxuko errendimenduan. Tenperatura baxuetan baterien ziklismoak jasaten duen arazoa da elektrolitoaren biskositatea handituko dela, ioi-eroalearen abiadura moteldu egingo dela, kanpoko zirkuituaren elektroien migrazio-abiadura desegokitzea eraginez, bateriaren polarizazio larria eraginez eta karga deskargatzeko ahalmenaren beherakada nabarmena. Batez ere tenperatura baxuetan kargatzen denean, litio ioiek erraz sor ditzakete litio-dendritak elektrodo negatiboaren gainazalean, bateriaren hutsegitea eraginez.

Elektrolitoen tenperatura baxuko errendimendua oso lotuta dago elektrolitoaren beraren eroankortasunarekin. Eroankortasun handiko elektrolitoek ioiak azkar garraiatzen dituzte eta tenperatura baxuetan gaitasun handiagoa izan dezakete. Elektrolitoan zenbat eta litio gatz gehiago disoziatu, orduan eta gehiago migratzen dute eta orduan eta eroankortasun handiagoa dute. Zenbat eta eroankortasun handiagoa eta ioi-eroale-tasa azkarragoa izan, orduan eta polarizazioa txikiagoa izango da, eta bateriaren errendimendu hobea izango da tenperatura baxuetan. Hori dela eta, eroankortasun handia beharrezkoa da litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimendu ona lortzeko.

Elektrolitoaren eroankortasuna bere konposizioarekin lotuta dago, eta disolbatzailearen biskositatea murriztea elektrolitoaren eroankortasuna hobetzeko moduetako bat da. Tenperatura baxuetan disolbatzaileen jariagarritasun ona ioien garraiorako bermea da, eta elektrolitoak tenperatura baxuan elektrodo negatiboan eratzen duen elektrolito solidoaren filma litio ioiaren eroankortasuna eragiten duen funtsezko faktorea ere bada, eta RSEI litioaren inpedantzia nagusia da. ioizko bateriak tenperatura baxuko inguruneetan.

2. aditua: litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimendua mugatzen duen faktore nagusia tenperatura baxuetan Li+difusio inpedantzia azkar handitzen ari da, SEI mintzak baino.

Litio-ioizko baterietarako elektrodo positiboen materialen tenperatura baxuko ezaugarriak

1. Geruzatutako elektrodo positiboen materialen tenperatura baxuko ezaugarriak

Egitura geruzatua, dimentsio bakarreko litio-ioi difusio-kanalekin alderatuta eta hiru dimentsioko kanalen egitura-egonkortasuna duen tasa-errendimendu paregabea duena, litio-ioizko baterietarako komertzialki eskuragarri dagoen lehen material katodoa da. Bere substantzia adierazgarrien artean LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2 eta Li (Ni, Co, Mn) O2 dira.
Xie Xiaohua et al. LiCoO2/MCMB-ren tenperatura baxuko karga eta deskarga-ezaugarriak probatu ditu ikerketa-objektu gisa.
Emaitzek erakusten dute tenperatura jaisten den heinean, deskarga-ordokia 3,762 V (0 ℃) izatetik 3,207 V-ra (-30 ℃) jaisten dela; Bateriaren ahalmen osoa ere asko jaitsi da 78,98 mA · h (0 ℃) izatetik 68,55 mA · h (-30 ℃) izatera.

2. Espinela egitura elektrodo positibo materialen tenperatura baxuko ezaugarriak

Espinela egituratutako LiMn2O4 katodoaren materialak kostu baxuko eta toxikotasunik gabeko abantailak ditu Co elementurik ez duelako.
Hala ere, Mn-ren balentzia-egoera aldakorrak eta Mn3+-ren Jahn Teller efektuak egitura-ezegonkortasuna eta osagai honen itzulgarritasun eskasa eragiten dute.
Peng Zhengshun et al. adierazi du prestaketa metodo ezberdinek eragin handia dutela LiMn2O4 katodoko materialen errendimendu elektrokimikoan. Hartu Rct adibide gisa: tenperatura altuko fase solidoaren metodoaren bidez sintetizatutako LiMn2O4-ren Rct sol gel metodoaren bidez sintetizatutakoa baino nabarmen handiagoa da, eta fenomeno hori litio ioiaren difusio-koefizientean ere islatzen da. Horren arrazoi nagusia da sintesi-metodo ezberdinek eragin handia dutela produktuen kristalinitatean eta morfologian.

3. Fosfato-sistemako elektrodo positiboen materialen tenperatura baxuko ezaugarriak

LiFePO4, material ternarioekin batera, potentziarako baterien katodoen material nagusia bihurtu da bere bolumen-egonkortasun eta segurtasun bikainagatik. Litio burdin fosfatoaren tenperatura baxuko errendimendu eskasa batez ere bere materiala isolatzailea delako, eroankortasun elektroniko baxua, litio ioiaren difusio eskasa eta tenperatura baxuan eroankortasun eskasa, bateriaren barne-erresistentzia handitzen duena, polarizazioan asko eragiten du. eta bateriaren karga eta deskarga eragozten ditu. Beraz, tenperatura baxuko errendimendua ez da aproposa.
Gu Yijie et al. LiFePO4-ren Coulombic eraginkortasuna % 100etik 55 ℃-tan % 96ra jaitsi zela 0 ℃-tan eta % 64ra -20 ℃-tan, hurrenez hurren, tenperatura baxuetan karga-deskargaren portaera aztertzean; Deskarga-tentsioa 3,11 V-tik 55 ℃-tan 2,62 V-ra jaisten da -20 ℃-tan.
Xing et al. nano karbonoa erabili zuen LiFePO4 aldatzeko eta aurkitu zuten nano karbonozko agente eroaleak gehitzeak LiFePO4ren errendimendu elektrokimikoaren sentsibilitatea murriztu zuela tenperaturarekiko eta tenperatura baxuko errendimendua hobetzen zuela; Aldatutako LiFePO4-ren deskarga-tentsioa 3,40 V-tik 25 ℃-tan 3,09 V-ra jaitsi da -25 ℃-ra, % 9,12ko jaitsiera soilik; Eta bere bateriaren eraginkortasuna % 57,3koa da -25 ℃-tan, % 53,4 baino handiagoa da nano karbono-agente eroalerik gabe.
Azkenaldian, LiMnPO4-k interes handia piztu du jendearen artean. Ikerketek aurkitu dute LiMnPO4 abantailak dituela, hala nola potentzial handia (4.1V), kutsadurarik eza, prezio baxua eta gaitasun espezifiko handia (170mAh/g). Hala ere, LiMnPO4 LiFePO4 baino eroankortasun ioniko txikiagoa duelako, praktikan askotan Mn Fe-rekin ordezkatzeko erabiltzen da LiMn0.8Fe0.2PO4 disoluzio solidoa sortzeko.

Litio-ioizko baterietarako elektrodo negatiboen materialen tenperatura baxuko ezaugarriak

Elektrodo positiboen materialekin alderatuta, litio-ioizko baterietan elektrodo negatiboen materialen tenperatura baxuko hondatzea larriagoa da, batez ere hiru arrazoi hauen ondorioz:

• Tenperatura baxuan eta tasa altuan kargatzen eta deskargatzean, bateriaren polarizazioa larria da, eta elektrodo negatiboaren gainazalean litio metalezko gordailuen kopuru handi bat eta litio metalaren eta elektrolitoaren arteko erreakzio-produktuek, oro har, ez dute eroankortasunik;
• Ikuspegi termodinamikotik, elektrolitoak C-O eta C-N bezalako talde polar ugari ditu, elektrodo negatiboen materialekin erreakzionatu dezaketena, eta ondorioz tenperatura baxuetara jasaten diren SEI filmak sortzen dira;
• Zaila da litioa karbono-elektrodo negatiboetan txertatzea tenperatura baxuetan, eta ondorioz karga eta deskarga asimetrikoak sortzen dira.

Tenperatura baxuko elektrolitoei buruzko ikerketa

Elektrolitoak litio-ioizko baterietan Li+transmisioan parte hartzen du, eta bere ioi-eroankortasunak eta SEI filmak osatzeko errendimenduak eragin handia dute bateriaren tenperatura baxuko errendimenduan. Tenperatura baxuko elektrolitoaren kalitatea epaitzeko hiru adierazle nagusi daude: ioien eroankortasuna, leiho elektrokimikoa eta elektrodoen erreakzio-jarduera. Hiru adierazle horien maila, hein handi batean, osatzen duten materialen araberakoa da: disolbatzaileak, elektrolitoak (litio-gatzak) eta gehigarriak. Hori dela eta, elektrolitoaren hainbat zatiren tenperatura baxuko errendimendua aztertzeak garrantzi handia du baterien tenperatura baxuko errendimendua ulertzeko eta hobetzeko.

• Kate karbonatoekin alderatuta, EC oinarritutako elektrolitoek egitura trinkoa, indar handia eta urtze-puntu eta biskositate altuak dituzte. Dena den, egitura zirkularrak eragiten duen polaritate handiak konstante dielektriko handi batera eramaten du maiz. Konstante dielektriko altuak, eroankortasun ioniko altuak eta EC disolbatzaileen pelikula osatzeko errendimendu bikainak eraginkortasunez saihesten dute disolbatzaileen molekulak ko sartzea, ezinbestekoak bihurtuz. Hori dela eta, gehien erabiltzen diren tenperatura baxuko elektrolito-sistemak ECn oinarritzen dira eta urtze-puntu baxuko molekula txikiko disolbatzaileekin nahasten dira.
• 
  
• Litio-gatzak elektrolitoen osagai garrantzitsu bat dira. Elektrolitoetako litio-gatzak disoluzioaren eroankortasun ionikoa hobetzeaz gain, Li+disoluzioaren difusio-distantzia ere murriztu dezake. Orokorrean esanda, zenbat eta Li+ kontzentrazio handiagoa izan disoluzio batean, orduan eta handiagoa da eroankortasun ionikoa. Hala ere, elektrolitoan litio ioien kontzentrazioa ez dago linealki erlazionatuta litio-gatzen kontzentrazioarekin, forma parabolikoan baizik. Hau da, disolbatzailean litio ioien kontzentrazioa disolbatzailearen litio-gatzen disoziazioaren eta elkartzearen indarraren araberakoa delako.

Bateriaren konposizioaz gain, funtzionamendu praktikoan prozesuko faktoreek ere eragin handia izan dezakete bateriaren errendimenduan.

(1) Prestaketa prozesua. Yaqub et al. elektrodoen kargak eta estaldura-lodierak LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite baterien tenperatura baxuko errendimenduan duten eragina aztertu zuen eta aurkitu zuen ahalmenaren atxikipenari dagokionez, zenbat eta elektrodoen karga txikiagoa izan, orduan eta meheagoa izango da estaldura-geruza eta hobeto. bere tenperatura baxuko errendimendua.

(2) Kargatzeko eta deskargatzeko egoera. Petzl et al. Tenperatura baxuko karga eta deskarga baldintzek baterien ziklo-bizitzan duten eragina aztertu du eta deskarga sakonera handia denean, gaitasun-galera handia eragingo duela eta ziklo-bizitza murrizten du.

(3) Beste faktore batzuk. Azalera, poroen tamaina, elektrodo-dentsitateak, elektrodoaren eta elektrolitoaren arteko bustigarritasuna eta elektrodoen bereizleak litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimenduari eragiten diote. Gainera, ezin da alde batera utzi materialen eta prozesuen akatsek baterien tenperatura baxuko errendimenduan duten eragina.

Laburtu

Litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimendua ziurtatzeko, honako hau egin behar da:

(1) SEI film mehe eta trinko bat osatzea;

(2) Ziurtatu Li+ek substantzia aktiboan difusio-koefiziente handia duela;

(3) Elektrolitoek eroankortasun ioniko handia dute tenperatura baxuetan.

Horrez gain, ikerketak bide berriak arakatu ditzake eta beste litio-ioizko bateria mota batean zentratu daiteke: egoera solidoko litio-ioizko bateria guztiak. Litio-ioizko bateria konbentzionalekin alderatuta, egoera solidoko litio-ioizko bateria guztiek, batez ere egoera solidoko film meheko litio-ioizko bateria guztiek, tenperatura baxuetan erabiltzen diren pilen ahalmenaren degradazioa eta txirrindularitzako segurtasun-arazoak guztiz konpontzea espero da.