Zergatik murrizten da litiozko bateriaren edukiera neguan?

Zergatik murrizten da litiozko bateriaren edukiera neguan?

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, hala nola, bateriak -40 ℃-tan funtziona dezan behar da. 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 inguruneetan litio-ioizko baterien elektrodo negatiboak litio-hauste larria jasaten du, eta hauspeatutako litio metalikoak elektrolitoarekin erreakzionatzen du, bere produktuak jalkitzea eta elektrolito solidoen interfazearen (SEI) lodiera handitzea eraginez.
• Tenperatura baxuko inguruneetan, material aktiboaren barruan litio-ioizko baterien difusio-sistema gutxitzen da eta karga-transferentzia inpedantzia (Rct) nabarmen handitzen da.

Litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimenduan eragiten duten faktoreak aztertzea

Adituen iritzia 1: elektrolitoak litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimenduan du eragin handiena, eta elektrolitoaren konposizioak eta propietate fisikokimikoak eragin handia dute baterien tenperatura baxuko errendimenduan. Baterien tenperatura baxuko zikloak jasaten duen arazoa hauxe da: elektrolitoaren biskositatea handitzen dela, ioi-eroalearen abiadura moteltzen dela eta kanpoko zirkuituko elektroien migrazio-abiadura ez datorrela bat, bateriaren polarizazio larria eta zorrotza eragiten duela. kargatzeko eta deskargatzeko ahalmenaren murrizketa. Batez ere tenperatura baxuetan kargatzen denean, litio ioiek erraz sor ditzakete litio-dendritak elektrodo negatiboaren gainazalean, bateriaren hutsegitea eraginez.

Elektrolito baten tenperatura baxuko errendimendua oso lotuta dago bere eroankortasunarekin. Eroankortasun handiko elektrolitoek ioiak azkar garraiatzen dituzte eta tenperatura baxuetan gaitasun handiagoa izan dezakete. Zenbat eta litio gatz gehiago disoziatu elektrolitoan, orduan eta migrazio gehiago gertatzen da, eta eroankortasun handiagoa. Zenbat eta eroankortasun handiagoa eta ioi-eroale-abiadura azkarragoa izan, orduan eta polarizazioa txikiagoa izango da, eta bateriaren errendimendu hobea izango da tenperatura baxuetan. Hori dela eta, eroankortasun handiagoa beharrezkoa da litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimendu ona lortzeko.

Elektrolito baten eroankortasuna bere konposizioarekin lotuta dago, eta disolbatzailearen biskositatea murriztea elektrolitoaren eroankortasuna hobetzeko moduetako bat da. Tenperatura baxuetan disolbatzaileen jariakortasun ona ioien garraiorako bermea da, eta elektrolitoak tenperatura baxuan elektrodo negatiboan sortzen duen elektrolito solidoaren filma litio ioiaren eroankortasuna eragiten duen faktore gakoa 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 mintza baino.

Litio-ioizko baterietarako elektrodo positiboen materialen tenperatura baxuko ezaugarriak

1. Geruzatutako elektrodo positiboen materialen tenperatura baxuko ezaugarriak

Geruzadun egitura, dimentsio bakarreko litio-ioi-difusio-kanalekin alderatuta eta hiru dimentsioko kanalen egitura-egonkortasuna duen tasa-errendimendu paregabea duena, litio-ioizko baterien elektrodo positiboen materiala da. Bere substantzia adierazgarrien artean LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 eta Li (Ni, Co, Mn) O2 dira.

Xie Xiaohua et al. LiCoO2/MCMB aztertu eta tenperatura baxuko karga eta deskarga ezaugarriak probatu zituen.

Emaitzek erakutsi zuten tenperatura jaitsi ahala, deskarga-plataforma 3.762V (0 ℃) izatetik 3.207V (-30 ℃) izatera igaro zela; Bateriaren ahalmen osoa ere asko jaitsi da 78,98 mA · h (0 ℃) izatetik 68,55 mA · h (-30 ℃) izatera.

2. Espinela egituratutako katodo 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-sistema katodoen materialen tenperatura baxuko ezaugarriak

LiFePO4, material ternarioekin batera, elektrodo positiboen material nagusia bihurtu da potentziarako baterien 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 eroankortasun eskasa tenperatura baxuetan, bateriaren barne-erresistentzia handitzen du eta polarizazioak asko eragiten du. , bateria kargatzea eta deskargatzea oztopatzen duena, tenperatura baxuko errendimendu desegokia eraginez.

Tenperatura baxuetan LiFePO4-ren karga eta deskarga portaera aztertzerakoan, Gu Yijie et al. aurkitu zuen bere Coulombic eraginkortasuna % 100etik 55 ℃-tan % 96ra jaitsi zela 0 ℃-tan eta % 64ra -20 ℃-tan, hurrenez hurren; Deskarga-tentsioa 3,11 V-tik 55 ℃-tan 2,62 V-ra jaisten da -20 ℃-tan.

Xing et al. LiFePO4 aldatu zuen nanokarbonoa erabiliz eta aurkitu zuen nanokarbonoko agente eroaleak gehitzeak LiFePO4-ren errendimendu elektrokimikoaren tenperaturarekiko sentikortasuna murriztu zuela 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, nanokarbonozko agente eroalerik gabe % 53,4 baino handiagoa.

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-ren eroankortasun ioniko txikiagoa dela eta LiFePO4-rekin alderatuta, Fe sarritan erabiltzen da Mn partzialki ordezkatzeko LiMn0.8Fe0.2PO4 soluzio solidoak praktikan egiteko.

Litio-ioizko baterietarako elektrodo negatiboen materialen tenperatura baxuko ezaugarriak

Elektrodo positiboen materialekin alderatuta, litio-ioizko baterietan elektrodo negatiboen materialen tenperatura baxuko degradazio-fenomenoa larriagoa da, batez ere hiru arrazoi hauengatik:

• Tenperatura baxuko tasa altua kargatzen eta deskargatzen denean, bateriaren polarizazioa larria da, eta elektrodo negatiboaren gainazalean litio metalezko gordailuen kopuru handia eta litio metalaren eta elektrolitoaren arteko erreakzio-produktuek, oro har, ez dute eroankortasunik;
• Perspektiba termodinamikotik, elektrolitoak C-O eta C-N bezalako talde polar ugari ditu, eta elektrodo negatiboen materialekin erreakzionatu dezakete, eta ondorioz tenperatura baxuko efektuak jasaten dituzten 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 + transmititzeko zeregina du, eta bere ioi-eroankortasunak eta SEI filmaren eraketa-errendimenduak eragin handia dute bateriaren tenperatura baxuko errendimenduan. Tenperatura baxuko elektrolitoen 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, interakzio-indar handia eta urtze-puntu eta biskositate handiagoak dituzte. Hala ere, egitura zirkularrak dakarren polaritate handiak konstante dielektriko altua izaten 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. Oro har, zenbat eta Li+ kontzentrazio handiagoa izan disoluzio batean, orduan eta ioi-eroankortasun handiagoa izango du. Hala ere, elektrolitoan litio ioien kontzentrazioa ez dago linealki erlazionatuta litio-gatzen kontzentrazioarekin, baizik eta forma parabolikoa erakusten du. 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 eta estaldura geruza zenbat eta meheagoa izan, orduan eta hobea izango da. 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 bereizgailuak litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimenduari eragiten diote. Horrez gain, ezin da alde batera utzi materialen eta prozesuen akatsek baterien tenperatura baxuko errendimenduan duten eragina.

Samaitu

Litio-ioizko baterien tenperatura baxuko errendimendua ziurtatzeko, ondo egin behar dira puntu hauek:

(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 beste ikuspegi bat har dezake eta litio-ioizko bateria mota batean zentratu daiteke: egoera solidoko litio-ioizko bateriak 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 baterien ahalmenaren degradazioa eta bizikletaren segurtasun-arazoak guztiz konpontzea espero da.