Lityum pil kapasitesi kışın neden düşüyor, sonunda biri açıklayabilir!
Lityum-iyon piller piyasaya girdiğinden beri, uzun ömürlü olmaları, büyük özgül kapasiteleri ve hafıza etkisi olmaması gibi avantajları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Lityum-iyon pillerin düşük sıcaklıkta kullanımı, düşük kapasite, ciddi zayıflama, düşük döngü hızı performansı, bariz lityum birikimi ve dengesiz lityum çıkarma gibi sorunlara sahiptir. Bununla birlikte, uygulama alanlarının sürekli genişlemesiyle, lityum-iyon pillerin düşük-düşük sıcaklık performansının neden olduğu kısıtlamalar giderek daha belirgin hale geliyor.
Raporlara göre, lityum-iyon pillerin -20 derecede deşarj kapasitesi, oda sıcaklığındakinin yalnızca yüzde 31,5'i kadardır. Geleneksel lityum-iyon pillerin çalışma sıcaklığı -20 ile artı 55 derece arasındadır. Ancak havacılık, askeri sanayi, elektrikli araçlar vb. alanlarda pilin normal olarak -40 derecede çalışması gerekmektedir. Bu nedenle, Li-ion pillerin düşük sıcaklık özelliklerinin iyileştirilmesi büyük önem taşımaktadır.
Li-İyon Pillerin Düşük Sıcaklık Performansını Kısıtlayan Faktörler
Düşük sıcaklıktaki bir ortamda, elektrolitin viskozitesi artar ve hatta kısmen katılaşır, bu da lityum-iyon pillerin iletkenliğinde bir azalmaya neden olur. Düşük sıcaklıktaki bir ortamda elektrolit ile negatif elektrot ve ayırıcı arasındaki uyumluluk zayıflar. Lityum-iyon pilin negatif elektrotu, düşük sıcaklık ortamında ciddi lityum çökelmesine sahiptir ve çökeltilen metal lityum, elektrolit ile reaksiyona girer ve ürün birikimi, katının kalınlığında bir artışa yol açar- elektrolit arayüzü (SEI). Düşük sıcaklık ortamında, aktif malzemedeki Li-iyon pillerin difüzyon sistemi azalır ve yük transfer direnci (Rct) önemli ölçüde artar.
Li-İyon Pillerin Düşük Sıcaklık Performansını Etkileyen Faktörler Üzerine Tartışma
Uzman görüşü 1: Elektrolit, lityum-iyon pillerin düşük-sıcaklık performansı üzerinde en büyük etkiye sahiptir ve elektrolitin bileşimi ve fizikokimyasal özellikleri, düşük{{3} üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. }pilin sıcaklık performansı. Pilin düşük sıcaklıkta karşılaştığı sorunlar şunlardır: elektrolitin viskozitesi artacak, iyon iletim hızı yavaşlayacak, bu da dış devrenin elektron göç hızının uyumsuzluğuna neden olacak, bu nedenle pil ciddi şekilde polarize olacak ve şarj ve deşarj kapasitesi keskin bir şekilde azalacaktır. Özellikle düşük sıcaklıkta şarj olurken, lityum iyonları, negatif elektrotun yüzeyinde kolayca lityum dendritleri oluşturarak pil arızasına neden olur.
Elektrolitin düşük sıcaklık performansı, elektrolitin kendisinin iletkenliğinin boyutu ile yakından ilişkilidir. İletkenliği yüksek elektrolit iyonları hızlı iletir ve düşük sıcaklıkta daha fazla kapasite uygulayabilir. Elektrolitte lityum tuzu ne kadar ayrışırsa, migrasyon sayısı o kadar yüksek ve iletkenlik o kadar yüksek olur. Elektriksel iletkenlik ne kadar yüksek olursa, iyon iletim hızı o kadar hızlı olur, polarizasyon o kadar az olur ve pilin düşük sıcaklıkta performansı o kadar iyi olur. Bu nedenle, lityum-iyon pillerin iyi bir düşük-sıcaklık performansını elde etmek için daha yüksek elektriksel iletkenlik gerekli bir koşuldur.
Elektrolitin iletkenliği, elektrolitin bileşimi ile ilgilidir ve çözücünün viskozitesini azaltmak, elektrolitin iletkenliğini iyileştirmenin yollarından biridir. Çözücünün düşük sıcaklıkta iyi akışkanlığı, iyon taşınmasının garantisidir ve elektrolit tarafından düşük sıcaklıkta negatif elektrotta oluşturulan katı elektrolit filmi de lityum iyonlarının iletimini etkilemenin anahtarıdır ve RSEI ana empedanstır. Düşük sıcaklık ortamlarında lityum iyon pillerin kullanımı.
Uzman 2: Lityum-iyon pillerin düşük sıcaklık performansını sınırlayan ana faktör, SEI filmi değil, düşük sıcaklıklarda keskin bir şekilde artan Li artı difüzyon direncidir.
Lityum iyon piller için katot malzemelerinin düşük sıcaklık özellikleri
1. Katmanlı katot malzemelerinin düşük sıcaklık özellikleri
Katmanlı yapı, yalnızca bir-boyutlu lityum iyon difüzyon kanallarının benzersiz hız performansına sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda üç-boyutlu kanalların yapısal kararlılığına da sahiptir. Lityum iyon piller için en eski ticari katot malzemesidir. Temsili maddeleri LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 ve Li(Ni, Co, Mn)O2 vb.'dir.
Xie Xiaohua et al. araştırma nesnesi olarak LiCoO2/MCMB'yi aldı ve düşük-sıcaklık yükü-deşarj özelliklerini test etti.
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. Spinel-yapılandırılmış katot malzemelerinin düşük-sıcaklık özellikleri
Spinel yapı LiMn2O4 katot malzemesi, Co elementi içermediği için düşük maliyetli ve toksik olmaması gibi avantajlara sahiptir.
Bununla birlikte, Mn'nin değerlik değişkenliği ve Mn3'ün Jahn-Teller etkisi artı bu bileşenin yapısal kararsızlığına ve zayıf tersinirliğine yol açar.
Peng Zhengshun ve ark. LiMn2O4 katot malzemelerinin elektrokimyasal performansı üzerinde farklı hazırlama yöntemlerinin büyük etkisi olduğuna dikkat çekti. Rct'yi örnek alarak: Yüksek sıcaklıkta katı -faz yöntemiyle sentezlenen LiMn2O4'ün Rct'si, sol-jel yönteminden önemli ölçüde yüksektir ve bu fenomen lityum iyon yöntemindedir. Difüzyon katsayısı da yansıtılır. Bunun nedeni, farklı sentez yöntemlerinin ürünlerin kristalinitesi ve morfolojisi üzerinde büyük etkisi olmasıdır.
3. Fosfat sisteminin katot malzemelerinin düşük sıcaklık özellikleri
Mükemmel hacim kararlılığı ve güvenliği nedeniyle, LiFePO4, üçlü malzemelerle birlikte mevcut güç pili katot malzemelerinin ana gövdesi haline geldi. Lityum demir fosfatın zayıf düşük sıcaklık performansı, esas olarak, malzemenin kendisinin düşük elektronik iletkenliği, zayıf lityum iyon yayılımı ve düşük sıcaklıkta zayıf iletkenliği olan bir yalıtkan olması gerçeğinden kaynaklanmaktadır, bu da pilin iç direncini arttırır. polarizasyondan büyük ölçüde etkilenir ve pilin şarj ve deşarj olmasını engeller. Bu nedenle, düşük sıcaklık Performansı ideal değildir.
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.
Son zamanlarda, LiMnPO4 çok ilgi gördü. Çalışma, LiMnPO4'ün yüksek potansiyel (4.1V), kirlilik olmaması, düşük fiyat ve yüksek spesifik kapasite (170mAh/g) avantajlarına sahip olduğunu buldu. Bununla birlikte, LiMnPO4'ün LiFePO4'ten daha düşük iyonik iletkenliği nedeniyle, pratikte LiMn0.8Fe0.2PO4 katı çözeltisini oluşturmak için genellikle Mn'nin yerini almak için Fe kullanılır.
Lityum iyon piller için anot malzemelerinin düşük sıcaklık özellikleri
Pozitif elektrot malzemesiyle karşılaştırıldığında, lityum iyon pilin negatif elektrot malzemesinin düşük sıcaklıkta bozulması, esas olarak aşağıdaki üç nedenden dolayı daha ciddidir:
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
Düşük Sıcaklık Elektrolit Araştırması
Elektrolit, lityum-iyon pillerde Li plus'ın taşınması rolünü oynar ve iyonik iletkenliği ve SEI filmi-oluşturma özellikleri, pilin düşük-sıcaklık performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. . Düşük-sıcaklık elektrolitlerinin artılarını ve eksilerini değerlendirmek için üç ana gösterge vardır: iyonik iletkenlik, elektrokimyasal pencere ve elektrot reaktivitesi. Bu üç göstergenin seviyesi büyük ölçüde onu oluşturan maddelere bağlıdır: solvent, elektrolit (lityum tuzu) ve katkı maddeleri. Bu nedenle, elektrolitin her bir parçasının düşük sıcaklık performansının araştırılması, pilin düşük sıcaklık performansının anlaşılması ve iyileştirilmesi için büyük önem taşımaktadır.
·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.
Düşük Sıcaklık Elektrolit Araştırması
Pilin kendisinin bileşimine ek olarak, fiili çalışmadaki süreç faktörlerinin de pilin performansı üzerinde büyük etkisi olacaktır.
(1) Hazırlık süreci. Yakub et al. elektrot yükü ve kaplama kalınlığının LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Grafit pillerin düşük sıcaklık performansı üzerindeki etkisini inceledi ve kapasite tutma açısından, elektrot yükü ne kadar küçükse ve kaplama tabakası ne kadar ince olursa, düşük sıcaklık performansı o kadar iyi olur. .
(2) Şarj ve deşarj durumu. Petzl et al. düşük-sıcaklıkta şarj-deşarj durumunun pil döngü ömrü üzerindeki etkisini inceledi ve deşarj derinliği büyük olduğunda, daha fazla kapasite kaybına neden olacağını ve döngü ömrünü azaltacağını buldu.
(3) Diğer faktörler. Yüzey alanı, gözenek boyutu, elektrot yoğunluğu, elektrot ve elektrolitin ıslanabilirliği ve ayırıcı vb., tümü lityum- iyon pillerin düşük-sıcaklık performansını etkiler. Ek olarak, pilin düşük sıcaklık performansı üzerindeki malzeme ve işlem kusurlarının etkisi göz ardı edilemez.
özetlemek
Lityum-iyon pillerin düşük sıcaklık performansını sağlamak için aşağıdaki noktaların yapılması gerekir:
(1) İnce ve yoğun bir SEI filmi oluşturun;
(2) Li plus'ın aktif malzemede büyük bir difüzyon katsayısına sahip olduğundan emin olun;
(3) Elektrolit, düşük sıcaklıkta yüksek iyonik iletkenliğe sahiptir.
Ayrıca araştırma, başka bir lityum-iyon pil-tamamı-katı-halli lityum-iyon pile bakmanın başka bir yolunu da bulabilir. . Geleneksel lityum-iyon pillerle karşılaştırıldığında, tüm-katı-lityum piller-iyon piller, özellikle tümü-katı-ince ince{ {11}}film lityum-iyon pillerin, piller düşük sıcaklıklarda kullanıldığında kapasite azalması ve döngü güvenliği sorununu tamamen çözmesi beklenir.
