Mit der rasanten Entwicklung von Elektrofahrzeugen weltweit hat der Markt für Elektrofahrzeuge im Jahr 2020 eine Billion US-Dollar erreicht und wird auch in Zukunft mit einer Rate von mehr als 20 % pro Jahr wachsen.Da Elektrofahrzeuge ein wichtiges Transportmittel sind, werden die Leistungsanforderungen an Leistungsbatterien immer höher, und die Auswirkungen des Batterieverfalls auf die Leistung von Leistungsbatterien in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen sollten nicht ignoriert werden.Die Hauptgründe für den Batterieverfall in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen sind: Erstens wirkt sich die niedrige Temperatur auf den kleinen Innenwiderstand der Batterie aus, die Wärmediffusionsfläche ist groß und der Innenwiderstand der Batterie steigt.Zweitens ist die Ladungsübertragungskapazität der Batterie innen und außen schlecht, und es kommt zu einer Verformung der Batterie, wenn die lokale Polarisation irreversibel ist.Drittens ist die Bewegung der Elektrolytmoleküle bei niedriger Temperatur langsam und es ist schwierig, sie rechtzeitig zu diffundieren, wenn die Temperatur steigt.Daher ist der Batterieverfall bei niedrigen Temperaturen schwerwiegend und führt zu einer erheblichen Verschlechterung der Batterieleistung.
1、Der Status der Niedertemperatur-Batterietechnologie
Die technischen und materiellen Leistungsanforderungen an bei niedrigen Temperaturen vorbereitete Lithium-Ionen-Leistungsbatterien sind hoch.Der gravierende Leistungsabfall von Lithium-Ionen-Akkus in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen ist auf den Anstieg des Innenwiderstands zurückzuführen, der zu Schwierigkeiten bei der Elektrolytdiffusion und einer verkürzten Lebensdauer des Zellzyklus führt.Daher hat die Forschung zur Niedertemperatur-Batterietechnologie in den letzten Jahren einige Fortschritte gemacht.Herkömmliche Hochtemperatur-Lithium-Ionen-Batterien weisen eine schlechte Hochtemperaturleistung auf und ihre Leistung ist unter Niedertemperaturbedingungen immer noch instabil;großes Volumen an Niedertemperaturzellen, geringe Kapazität und schlechte Leistung des Niedertemperaturzyklus;Die Polarisation ist bei niedriger Temperatur deutlich stärker als bei hoher Temperatur.Eine erhöhte Viskosität des Elektrolyten bei niedriger Temperatur führt zu einer Verringerung der Anzahl der Lade-/Entladezyklen.verringerte Sicherheit der Zellen und verkürzte Batterielebensdauer bei niedrigen Temperaturen;und reduzierte Leistung bei Verwendung bei niedrigen Temperaturen.Darüber hinaus haben die kurze Zyklenlebensdauer der Batterie bei niedrigen Temperaturen und die Sicherheitsrisiken von Niedertemperaturzellen neue Anforderungen an die Sicherheit von Leistungsbatterien gestellt.Daher steht die Entwicklung stabiler, sicherer, zuverlässiger und langlebiger Energiebatteriematerialien für Umgebungen mit niedrigen Temperaturen im Mittelpunkt der Forschung zu Niedertemperatur-Lithium-Ionen-Batterien.Derzeit gibt es mehrere Niedertemperatur-Lithium-Ionen-Batteriematerialien: (1) Lithiummetall-Anodenmaterialien: Lithiummetall wird aufgrund seiner hohen chemischen Stabilität, hohen elektrischen Leitfähigkeit und Lade- und Entladeleistung bei niedrigen Temperaturen häufig in Elektrofahrzeugen verwendet;(2) Kohlenstoffanodenmaterialien werden aufgrund ihrer guten Hitzebeständigkeit, Tieftemperaturzyklusleistung, geringen elektrischen Leitfähigkeit und Niedertemperaturzykluslebensdauer bei niedrigen Temperaturen häufig in Elektrofahrzeugen verwendet;(3) Kohlenstoffanodenmaterialien werden aufgrund ihrer guten Hitzebeständigkeit, Leistung bei Niedertemperaturzyklen, geringer elektrischer Leitfähigkeit und Lebensdauer bei Niedertemperaturzyklen häufig in Elektrofahrzeugen verwendet.In;(3) organische Elektrolyte weisen bei niedrigen Temperaturen eine gute Leistung auf;(4) Polymerelektrolyte: Polymermolekülketten sind relativ kurz und weisen eine hohe Affinität auf;(5) anorganische Materialien: anorganische Polymere haben gute Leistungsparameter (Leitfähigkeit) und eine gute Kompatibilität zwischen Elektrolytaktivität;(6) Metalloxide sind weniger vorhanden;(7) anorganische Materialien: anorganische Polymere usw.
2、Die Auswirkung einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen auf die Lithiumbatterie
Die Lebensdauer von Lithiumbatterien hängt hauptsächlich vom Entladevorgang ab, während niedrige Temperaturen einen größeren Einfluss auf die Lebensdauer von Lithiumprodukten haben.Normalerweise kommt es in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen zu einer Phasenänderung der Batterieoberfläche, die zu Schäden an der Oberflächenstruktur und damit zu einer Verringerung der Kapazität und Zellkapazität führt.Unter Hochtemperaturbedingungen wird in der Zelle Gas erzeugt, das die Wärmediffusion beschleunigt;Bei niedrigen Temperaturen kann das Gas nicht rechtzeitig entladen werden, was den Phasenwechsel der Batterieflüssigkeit beschleunigt.Je niedriger die Temperatur, desto mehr Gas wird erzeugt und desto langsamer erfolgt die Phasenänderung der Batterieflüssigkeit.Daher ist die interne Materialveränderung der Batterie bei niedrigen Temperaturen drastischer und komplexer und es ist einfacher, Gase und Feststoffe im Batteriematerial zu erzeugen;Gleichzeitig führt die niedrige Temperatur zu einer Reihe zerstörerischer Reaktionen wie dem irreversiblen Aufbrechen chemischer Bindungen an der Grenzfläche zwischen Kathodenmaterial und Elektrolyt.es wird auch zu einer Verringerung der Selbstorganisation des Elektrolyten und der Zykluslebensdauer führen;die Fähigkeit zur Ladungsübertragung von Lithiumionen auf den Elektrolyten wird verringert;Der Lade- und Entladevorgang führt zu einer Reihe von Kettenreaktionen wie dem Polarisationsphänomen während der Lithium-Ionen-Ladungsübertragung, dem Abfall der Batteriekapazität und der Freisetzung interner Spannungen, was sich auf die Lebensdauer und Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien und andere Funktionen auswirkt.Je niedriger die Temperatur bei niedriger Temperatur ist, desto intensiver und komplexer werden die verschiedenen zerstörerischen Reaktionen wie Redoxreaktionen an der Batterieoberfläche, thermische Diffusion, Phasenwechsel innerhalb der Zelle und sogar die vollständige Zerstörung, die wiederum eine Reihe von Kettenreaktionen wie Elektrolyten auslösen Je langsamer die Reaktionsgeschwindigkeit, desto schwerwiegender ist der Batteriekapazitätsabfall und desto schlechter ist die Fähigkeit zur Ladungsmigration von Lithiumionen bei hohen Temperaturen.
3、 Niedrige Temperaturen über den Fortschritt der Forschungsaussichten für die Lithiumbatterietechnologie
In einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen werden die Sicherheit, die Lebensdauer und die Zelltemperaturstabilität der Batterie beeinträchtigt, und die Auswirkungen niedriger Temperaturen auf die Lebensdauer von Lithiumbatterien können nicht ignoriert werden.Derzeit hat die Forschung und Entwicklung der Niedertemperatur-Batterietechnologie unter Verwendung von Membran-, Elektrolyt-, positiven und negativen Elektrodenmaterialien und anderen Methoden einige Fortschritte gemacht.Zukünftig sollte die Entwicklung der Niedertemperatur-Lithiumbatterietechnologie unter folgenden Gesichtspunkten verbessert werden: (1) die Entwicklung eines Lithiumbatterie-Materialsystems mit hoher Energiedichte, langer Lebensdauer, geringer Dämpfung, geringer Größe und niedrigen Kosten bei niedriger Temperatur ;(2) kontinuierliche Verbesserung der Kontrolle des Batterieinnenwiderstands durch Strukturdesign und Materialvorbereitungstechnologie;(3) Bei der Entwicklung eines kostengünstigen Lithiumbatteriesystems mit hoher Kapazität sollte auf Elektrolytzusätze, Lithiumionen- und Anoden- und Kathodenschnittstellen sowie interne aktive Materialien und andere Schlüsselfaktoren geachtet werden.(4) Verbesserung der Batteriezyklusleistung (spezifische Lade- und Entladeenergie), der thermischen Stabilität der Batterie in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen, der Sicherheit von Lithiumbatterien in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen und anderer Entwicklungsrichtungen der Batterietechnologie;(5) Entwicklung von Batteriesystemlösungen mit hoher Sicherheitsleistung, hohen Kosten und niedrigen Kosten bei niedrigen Temperaturen;(6) Produkte für Niedertemperaturbatterien entwickeln und deren Anwendung fördern;(7) Entwicklung leistungsstarker, kältebeständiger Batteriematerialien und Gerätetechnologie.
Zusätzlich zu den oben genannten Forschungsrichtungen gibt es natürlich auch viele Forschungsrichtungen zur weiteren Verbesserung der Batterieleistung unter Niedertemperaturbedingungen, zur Verbesserung der Energiedichte von Niedertemperaturbatterien, zur Verringerung der Batterieverschlechterung in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen, zur Verlängerung der Batterielebensdauer und zu anderen Forschungszwecken Fortschritt;Die wichtigere Frage ist jedoch, wie hohe Leistung, hohe Sicherheit, niedrige Kosten, große Reichweite, lange Lebensdauer und kostengünstige Kommerzialisierung von Batterien unter Niedrigtemperaturbedingungen erreicht werden können. Die Forschung muss sich auf den Durchbruch und die Lösung des Problems konzentrieren.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. November 2022