چرا ظرفیت باتری لیتیومی در زمستان کاهش می یابد؟

چرا ظرفیت باتری لیتیومی در زمستان کاهش می یابد؟

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، لازم است که باتری در دمای -40 درجه سانتیگراد به طور معمول کار کند. 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.
• الکترود منفی باتری‌های لیتیوم یونی در محیط‌های با دمای پایین، بارندگی شدید لیتیوم را تجربه می‌کند و لیتیوم فلزی رسوب‌شده با الکترولیت واکنش نشان می‌دهد و در نتیجه باعث رسوب محصولات آن و افزایش ضخامت رابط الکترولیت جامد (SEI) می‌شود.
• در محیط های با دمای پایین، سیستم انتشار باتری های لیتیوم یون در ماده فعال کاهش می یابد و امپدانس انتقال بار (Rct) به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

بررسی عوامل موثر بر عملکرد دمای پایین باتری‌های لیتیوم یونی

نظر کارشناس 1: الکترولیت بیشترین تأثیر را بر عملکرد باتری‌های لیتیوم یونی در دمای پایین دارد و ترکیب و خواص فیزیکوشیمیایی الکترولیت تأثیر مهمی بر عملکرد باتری‌ها در دمای پایین دارد. مشکلی که در چرخه باتری در دمای پایین با آن مواجه است این است که ویسکوزیته الکترولیت افزایش می‌یابد، سرعت هدایت یون کاهش می‌یابد، و سرعت مهاجرت الکترون‌ها در مدار خارجی مطابقت ندارد و در نتیجه قطبش شدید باتری و تیز شدن باتری ایجاد می‌شود. کاهش ظرفیت شارژ و دشارژ 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 در دمای پایین ارتباط نزدیکی با رسانایی خود 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 بیشتر در الکترولیت تفکیک شوند، مهاجرت بیشتری رخ می دهد و رسانایی بالاتری دارد. هرچه رسانایی بیشتر و سرعت رسانش یونی سریعتر باشد، قطبش دریافتی کمتر و عملکرد باتری در دماهای پایین بهتر است. بنابراین، رسانایی بالاتر شرط لازم برای دستیابی به عملکرد خوب باتری‌های لیتیوم یون در دمای پایین است.

رسانایی یک الکترولیت به ترکیب آن مرتبط است و کاهش ویسکوزیته حلال یکی از راه‌های بهبود رسانایی الکترولیت است. سیالیت 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 یونی در دمای پایین، امپدانس انتشار + لیتیوم به سرعت در حال افزایش در دماهای پایین به جای غشای 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 الکترود مثبت 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. LiCoO2/MCMB را مطالعه کرد و ویژگی‌های شارژ و دشارژ آن را در دمای پایین آزمایش کرد.

نتایج نشان داد که با کاهش دما، فلات تخلیه از 3.762 ولت (0 ℃) به 3.207 ولت (-30 ℃) کاهش یافت. ظرفیت کل باتری نیز به شدت از 78.98 میلی آمپر · ساعت (0 ℃) به 68.55 میلی آمپر · ساعت (-30 ℃) کاهش یافته است.

2. ویژگی های دمای پایین مواد کاتدی ساختاری اسپینل

مواد کاتد LiMn2O4 با ساختار اسپینل 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 کاتدی سیستم فسفات

LiFePO4، همراه با مواد سه تایی، به دلیل پایداری حجم عالی و ایمنی، به ماده اصلی الکترود مثبت برای باتری های برق تبدیل شده است. عملکرد ضعیف فسفات آهن لیتیوم در دمای پایین عمدتاً به دلیل عایق بودن مواد آن، رسانایی الکترونیکی کم، انتشار ضعیف یون لیتیوم و رسانایی ضعیف در دماهای پایین است که مقاومت داخلی باتری را افزایش می دهد و به شدت تحت تأثیر قطبش قرار می گیرد. مانع از شارژ و دشارژ باتری و در نتیجه عملکرد نامناسب در دمای پایین می شود.

هنگام مطالعه رفتار شارژ و دشارژ LiFePO4 در دماهای پایین، Gu Yijie و همکاران. دریافت که راندمان کولمبی آن به ترتیب از 100 درصد در دمای 55 درجه سانتیگراد به 96 درصد در دمای 0 درجه سانتیگراد و 64 درصد در دمای 20- درجه سانتیگراد کاهش یافته است. 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 LiFePO4 را با استفاده از نانو کربن اصلاح 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، به دلیل هدایت یونی کمتر LiMnPO4 در مقایسه با LiFePO4، آهن اغلب برای جایگزینی جزئی منگنز برای تشکیل محلول های جامد LiMn0.8Fe0.2PO4 در عمل استفاده می شود.

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

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

• در هنگام شارژ و دشارژ با سرعت بالا در دمای پایین، قطبش باتری شدید است و مقدار زیادی فلز لیتیوم روی سطح الکترود منفی رسوب می‌کند و محصولات واکنش بین فلز لیتیوم و الکترولیت معمولاً 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 اثرات دمای 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 باتری‌های لیتیوم یون لیتیوم-یون نقش دارد و هدایت یونی و عملکرد تشکیل فیلم SEI آن تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد باتری در دمای پایین دارد. سه شاخص اصلی برای قضاوت در مورد کیفیت الکترولیت های با 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 برهمکنش بالا و نقطه ذوب و ویسکوزیته بالاتری دارند. با این حال، قطبیت بزرگی که ساختار دایره ای به ارمغان می آورد اغلب منجر به ثابت دی الکتریک بالا 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 طور خطی با غلظت نمک های لیتیوم همبستگی ندارد، بلکه شکل سهمی را نشان می دهد. 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 اثر بار الکترود و ضخامت پوشش را بر عملکرد باتری‌های LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite در دمای پایین مطالعه کرد و دریافت که از نظر ظرفیت نگهداری، هرچه بار الکترود کمتر و لایه پوشش نازک‌تر باشد، بهتر است. عملکرد 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، تراکم الکترود، ترشوندگی بین الکترود و الکترولیت و جداکننده همگی بر عملکرد باتری‌های لیتیوم یونی در دمای پایین تأثیر می‌گذارند. علاوه بر این، تأثیر نقص مواد و فرآیند بر عملکرد باتری در دمای پایین را نمی توان نادیده گرفت.

Sتمام کردن

برای اطمینان از عملکرد باتری های لیتیوم یونی در دمای پایین، نکات زیر باید به خوبی انجام شود:

(1) تشکیل یک فیلم نازک و متراکم SEI.

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

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

علاوه بر این، تحقیقات می‌تواند رویکرد متفاوتی داشته باشد و بر نوع دیگری از باتری‌های لیتیوم یونی متمرکز شود - تمام باتری‌های لیتیوم یونی حالت جامد. در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یونی 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.