چرا ظرفیت باتری های لیتیومی در زمستان کاهش می یابد؟ بالاخره یکی توضیح بده!

چرا ظرفیت باتری های لیتیومی در زمستان کاهش می یابد؟ بالاخره یکی توضیح بده!

باتری های لیتیوم یونی از زمان ورود به بازار به دلیل مزایایی مانند طول عمر بالا، ظرفیت ویژه زیاد و عدم اثر حافظه به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند. باتری‌های لیتیوم یونی که در دماهای پایین استفاده می‌شوند دارای مشکلاتی مانند ظرفیت کم، تضعیف شدید، عملکرد ضعیف در دوچرخه‌سواری، تکامل آشکار لیتیوم و عدم تعادل حذف و جاگذاری لیتیوم هستند. با این حال، با گسترش مداوم زمینه های کاربردی، محدودیت های ناشی از عملکرد ضعیف باتری های لیتیوم یون در دمای پایین به طور فزاینده ای آشکار می شود.

بر اساس گزارش ها، ظرفیت تخلیه باتری های لیتیوم یونی در دمای -20 ℃ تنها حدود 31.5 درصد از آن در دمای اتاق است. باتری های لیتیوم یون سنتی در دمای بین -20 ~ 55 ℃ کار می کنند. با این حال، در زمینه هایی مانند هوافضا، نظامی و وسایل نقلیه الکتریکی، باتری ها باید به طور معمول در دمای -40 ℃ کار کنند. بنابراین، بهبود خواص دمای پایین باتری‌های لیتیوم یونی از اهمیت بالایی برخوردار است.

عوامل محدود کننده عملکرد باتری های لیتیوم یون در دمای پایین

• در محیط های با دمای پایین، ویسکوزیته الکترولیت افزایش می یابد و حتی تا حدی جامد می شود، که منجر به کاهش رسانایی باتری های لیتیوم یون می شود.
• سازگاری بین الکترولیت، الکترود منفی و جداکننده در محیط های با دمای پایین بدتر می شود.
• در شرایط دمای پایین، الکترود منفی باتری‌های لیتیوم یون، بارندگی شدید لیتیوم را تجربه می‌کند و فلز رسوب‌شده لیتیوم با الکترولیت واکنش می‌دهد و در نتیجه محصولاتی رسوب می‌کنند که ضخامت رابط الکترولیت حالت جامد (SEI) را افزایش می‌دهد.
• در محیط های با دمای پایین، سیستم انتشار در داخل ماده فعال باتری های لیتیوم یون کاهش می یابد و امپدانس انتقال بار (Rct) به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

بحث در مورد عوامل موثر بر عملکرد دمای پایین باتری های لیتیوم یون

دیدگاه متخصص 1: الکترولیت بیشترین تأثیر را بر عملکرد باتری های لیتیوم یونی در دمای پایین دارد و ترکیب و خواص فیزیکوشیمیایی الکترولیت تأثیر قابل توجهی بر عملکرد باتری در دمای پایین دارد. مشکلی که در چرخه باتری ها در دماهای پایین با آن مواجه است این است که ویسکوزیته الکترولیت افزایش می یابد، سرعت هدایت یون کاهش می یابد و باعث عدم تطابق در سرعت مهاجرت الکترون مدار خارجی می شود و در نتیجه قطبش شدید باتری و کاهش شدید ظرفیت تخلیه شارژ به خصوص هنگام شارژ در دمای پایین، یون های لیتیوم می توانند به راحتی دندریت های لیتیوم را روی سطح الکترود منفی تشکیل دهند که منجر به خرابی باتری می شود.

عملکرد الکترولیت ها در دمای پایین ارتباط نزدیکی با رسانایی خود الکترولیت دارد. الکترولیت ها با رسانایی بالا یون ها را به سرعت منتقل می کنند و می توانند ظرفیت بیشتری را در دماهای پایین اعمال کنند. هر چه نمک های لیتیوم در الکترولیت بیشتر تفکیک شوند، مهاجرت بیشتری دارند و رسانایی آنها بیشتر می شود. هرچه رسانایی بیشتر و سرعت انتقال یون سریعتر باشد، قطبش کمتر و عملکرد باتری در دماهای پایین بهتر است. بنابراین، رسانایی بالا شرط لازم برای دستیابی به عملکرد خوب باتری‌های لیتیوم یونی در دمای پایین است.

رسانایی الکترولیت به ترکیب آن مرتبط است و کاهش ویسکوزیته حلال یکی از راه های بهبود رسانایی الکترولیت است. جریان پذیری خوب حلال ها در دماهای پایین تضمینی برای انتقال یون است و لایه الکترولیت جامد تشکیل شده توسط الکترولیت روی الکترود منفی در دماهای پایین نیز یک عامل کلیدی موثر بر هدایت یون لیتیوم است و RSEI امپدانس اصلی لیتیوم- است. باتری های یونی در محیط های با دمای پایین

کارشناس 2: عامل اصلی محدود کننده عملکرد باتری های لیتیوم یون در دمای پایین، امپدانس انتشار + لیتیوم به سرعت در حال افزایش در دماهای پایین به جای غشاهای SEI است.

ویژگی های دمای پایین مواد الکترود مثبت برای باتری های لیتیوم یونی

1. ویژگی های دمای پایین مواد الکترود مثبت لایه ای

ساختار لایه ای، با عملکرد نرخ بی نظیر در مقایسه با کانال های انتشار لیتیوم-یون یک بعدی و پایداری ساختاری کانال های سه بعدی، اولین ماده کاتدی تجاری موجود برای باتری های لیتیوم-یون است. مواد نماینده آن عبارتند از LiCoO2، Li (Co1-xNix) O2، و Li (Ni، Co، Mn) O2.
Xie Xiaohua و همکاران. ویژگی های شارژ و تخلیه در دمای پایین LiCoO2/MCMB را به عنوان هدف تحقیق آزمایش کرد.
نتایج نشان می دهد که با کاهش دما، فلات تخلیه از 3.762 ولت (0 ℃) به 3.207 ولت (-30 ℃) کاهش می یابد. ظرفیت کل باتری نیز به شدت از 78.98 میلی آمپر · ساعت (0 ℃) به 68.55 میلی آمپر · ساعت (-30 ℃) کاهش یافته است.

2. مشخصات دمای پایین مواد الکترود مثبت ساختار اسپینل

مواد کاتد LiMn2O4 با ساختار اسپینلی دارای مزایای کم هزینه و غیر سمی بودن به دلیل عدم وجود عنصر Co است.
با این حال، حالت‌های ظرفیت متغیر منگنز و اثر جان تلر Mn3+ منجر به ناپایداری ساختاری و برگشت‌پذیری ضعیف این مؤلفه می‌شود.
پنگ ژنگشون و همکاران اشاره کرد که روش های مختلف آماده سازی تاثیر زیادی بر عملکرد الکتروشیمیایی مواد کاتدی LiMn2O4 دارند. Rct را به عنوان مثال در نظر بگیرید: Rct LiMn2O4 سنتز شده با روش فاز جامد در دمای بالا به طور قابل توجهی بالاتر از سنتز شده با روش سل ژل است و این پدیده در ضریب انتشار یون لیتیوم نیز منعکس می شود. دلیل اصلی این امر این است که روش های مختلف سنتز تأثیر قابل توجهی بر کریستالی و مورفولوژی محصولات دارند.

3. مشخصات دمای پایین مواد الکترود مثبت سیستم فسفات

LiFePO4، همراه با مواد سه تایی، به دلیل ثبات حجمی و ایمنی عالی، به ماده کاتدی اصلی برای باتری های برق تبدیل شده است. عملکرد ضعیف لیتیوم فسفات آهن در دمای پایین عمدتاً به این دلیل است که ماده آن خود یک عایق است، با رسانایی الکترونیکی کم، انتشار ضعیف یون لیتیوم و رسانایی ضعیف در دمای پایین، که مقاومت داخلی باتری را افزایش می‌دهد و به شدت بر قطبش تأثیر می‌گذارد. و مانع از شارژ و دشارژ باتری می شود. بنابراین، عملکرد دمای پایین ایده آل نیست.
گو ییجی و همکاران دریافت که راندمان کولمبی LiFePO4 هنگام مطالعه رفتار تخلیه بار آن در دماهای پایین به ترتیب از 100٪ در دمای 55 درجه به 96٪ در دمای 0 ℃ و 64٪ در -20 ℃ کاهش یافت. ولتاژ تخلیه از 3.11 ولت در دمای 55 درجه سانتیگراد به 2.62 ولت در 20- درجه سانتیگراد کاهش می یابد.
زینگ و همکاران از نانو کربن برای اصلاح LiFePO4 استفاده کرد و دریافت که افزودن عوامل رسانای نانو کربن حساسیت عملکرد الکتروشیمیایی LiFePO4 را به دما کاهش داد و عملکرد آن را در دمای پایین بهبود بخشید. ولتاژ تخلیه LiFePO4 اصلاح شده از 3.40 ولت در دمای 25 درجه سانتیگراد به 3.09 ولت در 25- درجه سانتیگراد کاهش یافت و تنها 9.12٪ کاهش یافت. و راندمان باتری آن 57.3٪ در -25 ℃، بالاتر از 53.4٪ بدون عوامل رسانای نانو کربن است.
اخیراً، LiMnPO4 علاقه شدیدی را در بین مردم برانگیخته است. تحقیقات نشان داده است که LiMnPO4 دارای مزایایی مانند پتانسیل بالا (4.1 ولت)، عدم آلودگی، قیمت پایین و ظرفیت ویژه بزرگ (170 میلی آمپر ساعت بر گرم) است. با این حال، از آنجایی که LiMnPO4 رسانایی یونی کمتری نسبت به LiFePO4 دارد، اغلب در عمل برای جایگزینی جزئی منگنز با آهن برای تشکیل محلول جامد LiMn0.8Fe0.2PO4 استفاده می‌شود.

ویژگی های دمای پایین مواد الکترود منفی برای باتری های لیتیوم یونی

در مقایسه با مواد الکترود مثبت، بدتر شدن دمای پایین مواد الکترود منفی در باتری‌های لیتیوم یون شدیدتر است، عمدتاً به سه دلیل زیر:

• در هنگام شارژ و دشارژ دمای پایین و سرعت بالا، قطبش باتری شدید است و مقدار زیادی فلز لیتیوم روی سطح الکترود منفی رسوب می کند و محصولات واکنش بین فلز لیتیوم و الکترولیت به طور کلی رسانایی ندارند.
• از منظر ترمودینامیکی، الکترولیت حاوی تعداد زیادی گروه قطبی مانند C-O و C-N است که می‌توانند با مواد الکترود منفی واکنش دهند و در نتیجه فیلم‌های SEI در برابر دماهای پایین حساس‌تر هستند.
• قرار دادن لیتیوم در الکترودهای کربن منفی در دماهای پایین دشوار است و در نتیجه شارژ و تخلیه نامتقارن ایجاد می شود.

تحقیق در مورد الکترولیت های دمای پایین

الکترولیت در انتقال لیتیوم در باتری‌های لیتیوم یون نقش دارد و هدایت یونی آن و عملکرد تشکیل فیلم SEI تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد باتری در دمای پایین دارد. سه شاخص اصلی برای قضاوت در مورد کیفیت الکترولیت در دمای پایین وجود دارد: هدایت یونی، پنجره الکتروشیمیایی و فعالیت واکنش الکترود. سطح این سه شاخص تا حد زیادی به مواد تشکیل دهنده آنها بستگی دارد: حلال ها، الکترولیت ها (نمک های لیتیوم) و مواد افزودنی. بنابراین، مطالعه عملکرد در دمای پایین بخش‌های مختلف الکترولیت برای درک و بهبود عملکرد باتری‌ها در دمای پایین از اهمیت بالایی برخوردار است.

• در مقایسه با کربنات های زنجیره ای، الکترولیت های مبتنی بر EC ساختار فشرده، نیروی بالا و نقطه ذوب و ویسکوزیته بالایی دارند. با این حال، قطبیت بزرگ ناشی از ساختار دایره ای اغلب به یک ثابت دی الکتریک بزرگ منجر می شود. ثابت دی الکتریک بالا، رسانایی یونی بالا و عملکرد عالی در تشکیل فیلم حلال های EC به طور موثر از وارد کردن همزمان مولکول های حلال جلوگیری می کند و آنها را ضروری می کند. بنابراین، متداول‌ترین سیستم‌های الکترولیت با دمای پایین بر پایه EC هستند و با حلال‌های مولکولی کوچک با نقطه ذوب پایین مخلوط می‌شوند.
• 
  
• نمک های لیتیوم جزء مهم الکترولیت ها هستند. نمک های لیتیوم در الکترولیت ها نه تنها می توانند رسانایی یونی محلول را بهبود بخشند، بلکه فاصله انتشار Li+ را در محلول نیز کاهش می دهند. به طور کلی، هر چه غلظت Li+ در یک محلول بیشتر باشد، رسانایی یونی آن بیشتر است. با این حال، غلظت یون های لیتیوم در الکترولیت به صورت خطی با غلظت نمک های لیتیوم همبستگی ندارد، بلکه به شکل سهموی است. زیرا غلظت یون های لیتیوم در حلال به قدرت تفکیک و تداعی نمک های لیتیوم در حلال بستگی دارد.

علاوه بر خود ترکیب باتری، فاکتورهای فرآیند در عملکرد عملی نیز می توانند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد باتری داشته باشند.

(1) فرآیند آماده سازی یعقوب و همکاران اثرات بار الکترود و ضخامت پوشش را بر عملکرد باتری‌های LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/گرافیت در دمای پایین بررسی کرد و دریافت که از نظر ظرفیت نگهداری، هرچه بار الکترود کوچک‌تر باشد، لایه پوشش نازک‌تر و بهتر است. عملکرد آن در دمای پایین

(2) وضعیت شارژ و تخلیه. پتزل و همکاران تأثیر شرایط شارژ و دشارژ در دمای پایین را بر عمر چرخه باتری ها مطالعه کرد و دریافت که وقتی عمق دشارژ زیاد باشد، باعث کاهش قابل توجه ظرفیت و کاهش عمر چرخه می شود.

(3) عوامل دیگر. مساحت سطح، اندازه منافذ، چگالی الکترود، ترشوندگی بین الکترود و الکترولیت، و جداکننده الکترودها همگی بر عملکرد باتری‌های لیتیوم یونی در دمای پایین تأثیر می‌گذارند. علاوه بر این، تاثیر عیوب در مواد و فرآیندها بر عملکرد باتری ها در دمای پایین را نمی توان نادیده گرفت.

خلاصه کنید

برای اطمینان از عملکرد باتری های لیتیوم یونی در دمای پایین، لازم است موارد زیر را انجام دهید:

(1) تشکیل یک فیلم نازک و متراکم SEI.

(2) اطمینان حاصل کنید که Li + دارای ضریب انتشار زیادی در ماده فعال است.

(3) الکترولیت ها رسانایی یونی بالایی در دماهای پایین دارند.

علاوه بر این، تحقیقات همچنین می‌تواند راه‌های جدیدی را کشف کند و بر نوع دیگری از باتری‌های لیتیوم یونی تمرکز کند - تمام باتری‌های لیتیوم یونی حالت جامد. در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون معمولی، انتظار می‌رود که تمام باتری‌های لیتیوم یون حالت جامد، به‌ویژه تمام باتری‌های لیتیوم یون لایه نازک حالت جامد، مشکلات کاهش ظرفیت و ایمنی چرخه باتری‌های مورد استفاده در دماهای پایین را به طور کامل حل کنند.