In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen ist die Leistung des Lithium-Ionen-Akkus nicht ideal. Wenn üblicherweise verwendete Lithium-Ionen-Batterien bei -10 °C betrieben werden, werden ihre maximale Lade- und Entladekapazität und ihre Klemmenspannung im Vergleich zur Normaltemperatur deutlich reduziert [6], wenn die Entladetemperatur auf -20 °C sinkt, verringert sich die verfügbare Kapazität Bei einer Raumtemperatur von 25 ° C kann die Entladetemperatur sogar auf 1/3 reduziert werden. Wenn die Entladetemperatur niedriger ist, können einige Lithiumbatterien nicht einmal geladen und entladen werden und gelangen in den Zustand „leere Batterie“.
1, Die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen
(1) Makroskopisch
Die charakteristischen Veränderungen von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen sind wie folgt: Mit der kontinuierlichen Abnahme der Temperatur nehmen der ohmsche Widerstand und der Polarisationswiderstand in unterschiedlichem Maße zu; Die Entladespannung des Lithium-Ionen-Akkus ist niedriger als die bei normaler Temperatur. Beim Laden und Entladen bei niedrigen Temperaturen steigt oder fällt die Betriebsspannung schneller als bei normaler Temperatur, was zu einer erheblichen Verringerung der maximal nutzbaren Kapazität und Leistung führt.
(2) Mikroskopisch
Die Leistungsänderungen von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen sind hauptsächlich auf den Einfluss der folgenden wichtigen Faktoren zurückzuführen. Wenn die Umgebungstemperatur unter -20 °C liegt, verfestigt sich der flüssige Elektrolyt, seine Viskosität steigt stark an und seine Ionenleitfähigkeit nimmt ab. Die Diffusion von Lithiumionen in positiven und negativen Elektrodenmaterialien ist langsam; Lithiumionen lassen sich nur schwer desolvatisieren, ihre Übertragung im SEI-Film ist langsam und die Ladungsübertragungsimpedanz steigt. Das Lithium-Dendriten-Problem ist bei niedrigen Temperaturen besonders ausgeprägt.
2, Um die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen zu lösen
Entwerfen Sie ein neues Elektrolytflüssigkeitssystem, um der Umgebung mit niedrigen Temperaturen gerecht zu werden. Verbessern Sie die positive und negative Elektrodenstruktur, um die Übertragungsgeschwindigkeit zu beschleunigen und die Übertragungsentfernung zu verkürzen. Kontrollieren Sie die positive und negative Festelektrolytschnittstelle, um die Impedanz zu verringern.
(1) Elektrolytzusätze
Im Allgemeinen ist die Verwendung funktioneller Additive eine der effektivsten und wirtschaftlichsten Möglichkeiten, die Leistung der Batterie bei niedrigen Temperaturen zu verbessern und zur Bildung des idealen SEI-Films beizutragen. Derzeit sind die Haupttypen von Additiven Additive auf Isocyanatbasis, Additive auf Schwefelbasis, Additive für ionische Flüssigkeiten und anorganische Lithiumsalzadditive.
Zum Beispiel schwefelhaltige Additive auf Dimethylsulfit (DMS)-Basis mit entsprechender Reduktionsaktivität, und da die Reduktionsprodukte und die Lithiumionenbindung schwächer sind als bei Vinylsulfat (DTD), wird die Verwendung organischer Additive die Grenzflächenimpedanz erhöhen, um eine zu bilden Stabilere und bessere Ionenleitfähigkeit des Negativelektroden-Schnittstellenfilms. Die durch Dimethylsulfit (DMS) repräsentierten Sulfitester haben eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen breiten Betriebstemperaturbereich.
(2) Das Lösungsmittel des Elektrolyten
Der herkömmliche Lithium-Ionen-Batterieelektrolyt besteht darin, 1 Mol Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) in einem gemischten Lösungsmittel wie EC, PC, VC, DMC, Methylethylcarbonat (EMC) oder Diethylcarbonat (DEC) aufzulösen, wobei die Zusammensetzung von Lösungsmittel, Schmelzpunkt, Dielektrizitätskonstante, Viskosität und Kompatibilität mit Lithiumsalz wirken sich erheblich auf die Betriebstemperatur der Batterie aus. Derzeit verfestigt sich der handelsübliche Elektrolyt leicht, wenn er in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen von -20 °C und darunter eingesetzt wird. Die niedrige Dielektrizitätskonstante erschwert die Dissoziation des Lithiumsalzes und die Viskosität ist zu hoch, um den Innenwiderstand der Batterie niedrig zu machen Spannungsplattform. Lithium-Ionen-Batterien können eine bessere Leistung bei niedrigen Temperaturen erzielen, indem das vorhandene Lösungsmittelverhältnis optimiert wird, beispielsweise durch Optimierung der Elektrolytformulierung (EC:PC:EMC=1:2:7), sodass die negative Elektrode aus TiO2(B)/Graphen A aufweist Kapazität von ~240 mAh g-1 bei -20℃ und 0,1 A g-1 Stromdichte. Oder entwickeln Sie neue Elektrolytlösungsmittel für niedrige Temperaturen. Die schlechte Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen hängt hauptsächlich mit der langsamen Desolvatisierung von Li+ während des Prozesses der Einbettung von Li+ in das Elektrodenmaterial zusammen. Es können Substanzen mit geringer Bindungsenergie zwischen Li+ und Lösungsmittelmolekülen wie 1,3-Dioxopentylen (DIOX) ausgewählt werden, und als Elektrodenmaterial für den Batterietest wird nanoskaliges Lithiumtitanat verwendet, um den verringerten Diffusionskoeffizienten von zu kompensieren Elektrodenmaterial bei extrem niedrigen Temperaturen, um eine bessere Leistung bei niedrigen Temperaturen zu erzielen.
(3) Lithiumsalz
Derzeit haben kommerzielle LiPF6-Ionen eine hohe Leitfähigkeit, einen hohen Feuchtigkeitsbedarf in der Umgebung, eine schlechte thermische Stabilität und schlechte Gase wie HF bei der Reaktion mit Wasser können leicht zu Sicherheitsrisiken führen. Der aus Lithiumdifluorxalatborat (LiODFB) hergestellte Festelektrolytfilm ist stabil genug und weist eine bessere Leistung bei niedrigen Temperaturen und eine höhere Geschwindigkeit auf. Dies liegt daran, dass LiODFB die Vorteile von Lithiumdioxalatborat (LiBOB) und LiBF4 bietet.
3. Zusammenfassung
Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen wird von vielen Aspekten wie Elektrodenmaterialien und Elektrolyten beeinflusst. Umfassende Verbesserungen aus mehreren Perspektiven wie Elektrodenmaterialien und Elektrolyt können die Anwendung und Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien fördern, und die Anwendungsaussichten von Lithium-Batterien sind gut, aber die Technologie muss in weiterer Forschung weiterentwickelt und perfektioniert werden.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 27. Juli 2023