Метод поліпшення роботи літій-іонних акумуляторів при низькій температурі
Sep 15, 2020
Основні фактори поганої роботи літій-іонних батарей при низьких температурах все ще обговорюються. Основними причинами є: в'язкість електроліту зростає при низьких температурах, а провідність зменшується; збільшується опір мембрани електроліт / електрод та опір переносу заряду; іони літію знаходяться в активному речовині. Швидкість міграції в середовищі зменшується. В результаті поляризація електрода при низьких температурах зростає, а зарядно-розрядна здатність зменшується.
Під час низькотемпературної зарядки літій-іонних батарей, особливо під час низькотемпературної високошвидкісної зарядки, в негативному електроді відбуватимуться осадження та осадження металевого літію. Нанесений металевий літій легко незворотно вступає в реакцію з електролітом і споживає велику кількість електроліту. У той же час товщина плівки SEI додатково збільшується, в результаті чого імпеданс поверхневої плівки негативного електрода батареї додатково збільшується, а поляризація батареї знову збільшується, що значно пошкодить низькотемпературні характеристики, термін служби та безпека акумулятора.
Метод удосконалення роботи низькотемпературної літій-іонної батареї Метод модифікації для поліпшення низькотемпературних характеристик батареї з трьох аспектів: позитивний електрод, електроліт і негативний електрод.
1. Катодний матеріал
Основними способами поліпшення характеристик дифузії іонів катодних матеріалів при низькій температурі є:
1 Метод поверхневого покриття тіла активного матеріалу з чудовими матеріалами провідності покращує провідність поверхні розділу матеріалу позитивного електрода, зменшує опір поверхні розділу, одночасно зменшуючи побічні реакції матеріалу позитивного електрода та електроліту та стабілізуючи структуру матеріалу.
2 Тіло матеріалу легується навалом Mn, Al, Cr, Mg, F та іншими елементами, а відстань шарів матеріалу збільшується для збільшення швидкості дифузії Li + в тілі, зменшення дифузії опір Li + та покращують низькотемпературні характеристики акумулятора.
3 Зменште розмір частинок матеріалу та скоротіть шлях міграції Li +. Слід зазначити, що цей метод збільшить питому поверхню матеріалу і збільшить побічну реакцію з електролітом.
2. Електроліт
Як важлива частина літій-іонної батареї, електроліт не тільки визначає швидкість міграції Li + в рідкій фазі, але також бере участь у формуванні плівки SEI, яка відіграє ключову роль у роботі фільм SEI. При низьких температурах в'язкість електроліту збільшується, провідність зменшується, імпеданс плівки SEI збільшується, а сумісність із позитивними та негативними матеріалами погіршується, що значно погіршує щільність енергії та ефективність циклу батареї.
В даний час існує два шляхи поліпшення роботи низьких температур за допомогою електроліту:
(1) Покращити низькотемпературну провідність електроліту шляхом оптимізації складу розчинника та використання нових солей електроліту;
(2) Використовуйте нові добавки для поліпшення властивостей плівки SEI, роблячи її сприятливою для проведення Li + провідності при низьких температурах.
1 Оптимізуйте склад розчинника
Низькотемпературні характеристики електроліту в основному визначаються його низькотемпературною точкою евтектики. Якщо температура плавлення занадто висока, електроліт легко кристалізується при низьких температурах, що серйозно вплине на провідність електроліту. Етиленкарбонат (ЕК) є основним компонентом розчинника електроліту, але його температура плавлення становить 36 ° С, а його розчинність в електроліті зменшується або навіть випадає в осад при низьких температурах, що має більший вплив на низькотемпературні характеристики акумулятор. Додаючи компоненти з низькою температурою плавлення та низькою в'язкістю для зменшення вмісту ЕС розчинника, в'язкість та температуру евтектики електроліту при низьких температурах можна ефективно зменшити, а провідність електроліту можна покращити.
2 Нова електролітна сіль
Сіль електроліту є одним з важливих компонентів електроліту, а також є ключовим фактором для отримання чудових характеристик при низьких температурах. В даний час комерційною електролітною сіллю є гексафторфосфат літію, і сформована плівка SEI має великий імпеданс, що призводить до поганих характеристик низьких температур. Розробка нового типу солі літію неминуча. Тетрафторборат літію має невеликий радіус аніону, його легко зв’язати, і він має меншу провідність, ніж LiPF6, але має низький опір передачі заряду при низьких температурах і має хороші низькотемпературні характеристики як електролітної солі.
3 добавки
Плівка SEI має дуже важливий вплив на низьку температуру батареї. Це іонний провідник та електронний ізолятор, і це канал для Li +, щоб дійти до поверхні електрода з рідкої фази. При низьких температурах імпеданс плівки SEI збільшується, а швидкість дифузії Li + в плівці SEI різко зменшується, що поглиблює накопичення зарядів на поверхні електрода, що призводить до зменшення літію здатність вставки графіту та збільшення поляризації. Оптимізуючи склад та умови формування плівки плівки SEI, покращення іонної провідності плівки SEI при низьких температурах сприяє покращенню низькотемпературних характеристик акумулятора. Тому розробка плівкоутворюючих добавок з чудовими низькотемпературними характеристиками є актуальною точкою досліджень.
Таким чином, провідність і плівкоутворюючий опір електроліту мають важливий вплив на низькотемпературні характеристики літій-іонних батарей. Для низькотемпературного електроліту його слід всебічно оптимізувати з трьох аспектів: система розчинників електролітів, сіль літію та добавки. Для розчинника електроліту слід вибрати систему розчинників з низькою температурою плавлення, низькою в'язкістю та високою діелектричною проникністю. Лінійні карбоксилатні розчинники мають відмінні показники при низьких температурах, але вони мають більший вплив на продуктивність циклу і потребують узгодження циклічної вугільної кислоти з високою діелектричною проникністю. для солей і добавок літію основним фактором є зменшення плівкоутворювальної стійкості та збільшення швидкості міграції іонів літію. Крім того, належне збільшення концентрації солі літію при низьких температурах може збільшити провідність електроліту та підвищити ефективність низьких температур.
3. Анодний матеріал
Погіршення умов дифузійної кінетики іонів літію в вуглецевих анодних матеріалах є основною причиною, яка обмежує низькотемпературні характеристики літій-іонних батарей. Отже, електрохімічна поляризація анода значно посилюється в процесі зарядки, що легко призводить до осадження металевого літію на поверхні анода.
Вибір відповідного анодного матеріалу є ключовим фактором для покращення низькотемпературних характеристик акумулятора. В даний час оптимізація низькотемпературних характеристик в основному здійснюється за допомогою методів поверхневої обробки анода, поверхневого покриття, легування для збільшення інтервалу шарів та контролю розміру частинок.
1 Обробка поверхні
Обробка поверхні включає окислення та фторування поверхні. Обробка поверхні може зменшити активні ділянки на графітовій поверхні, зменшити незворотні втрати ємності та може генерувати більше пор мікро-наноструктур, що сприяє передачі Li + та зменшує імпеданс.
2 Поверхневе покриття
Поверхневі покриття, такі як вуглецеве покриття та металеві покриття, можуть не тільки уникнути прямого контакту між негативним електродом та електролітом, поліпшити сумісність електроліту та негативного електрода, але також збільшити провідність графіту, забезпечити більше місць введення літію та зробити Незворотне зменшення потужності. Крім того, відстань шарів м'якого вуглецю або твердого вуглецевого матеріалу більша, ніж у графіту. Покриття шару м’якого вуглецю або твердого вуглецевого матеріалу на негативному електроді полегшує дифузію іонів літію та зменшує опір плівки SEI, покращуючи тим самим низькотемпературні характеристики батареї. Поверхневе покриття невеликої кількості Ag покращує провідність матеріалу негативного електрода, завдяки чому він має відмінні електрохімічні характеристики при низьких температурах.
3 Збільште відстань між графітовими шарами
Графітовий анод має невеликий міжшаровий інтервал, і швидкість дифузії іонів літію між шарами графіту при низьких температурах зменшується, що призводить до посилення поляризації. Введення B, N, S, K та інших елементів у процес підготовки графіту може змінити структуру графіту та збільшити Міжшаровий інтервал графіту покращує його здатність виділяти / інтеркалювати літій. Атомний радіус Р (0.106 вечора) більший, ніж радіус С (0.077 вечора). Допінг може збільшити міжшаровий інтервал графіту, посилити дифузійну здатність іонів літію і, можливо, поліпшити його. Вміст кристалітів графіту у вуглецевих матеріалах. Введення K у вуглецевий матеріал утворює інтеркаляційну сполуку KC8. Коли калій видаляється, міжшаровий інтервал вуглецевого матеріалу збільшується, що вигідно для швидкого введення літію, покращуючи тим самим низькотемпературні характеристики акумулятора.
4 Контролюйте розмір частинок негативних електродів
Чим більший розмір частинок негативного електрода, тим довший шлях дифузії іонів літію і більший опір дифузії, що призводить до збільшення поляризації концентрації та поганих характеристик низьких температур. Отже, належним чином зменшення розміру частинок матеріалу негативного електрода може ефективно скоротити відстань міграції іонів літію між шарами графіту, зменшити дифузійний опір, збільшити площа інфільтрації електроліту та покращити низькотемпературні характеристики батареї. Крім того, графітовий негативний електрод, гранульований одиничною частинкою невеликого розміру, має вищу ізотропію, може забезпечити більше місць введення літію, зменшити поляризацію та може значно покращити низькотемпературні характеристики батареї.
Низькотемпературні характеристики літій-іонних акумуляторів є ключовим фактором, що обмежує застосування літієвих батарей. Як покращити низькотемпературні характеристики літієвих батарей, як і раніше залишається гарячим і складним питанням сучасних досліджень. Для поліпшення низькотемпературних характеристик літієвих батарей слід враховувати вплив таких факторів, як позитивний електрод, негативний електрод та електроліт в батареї. Завдяки оптимізації розчинника електроліту, добавок та складу солі літію поліпшується провідність електроліту та зменшується опір утворенню плівки; Електродний матеріал піддається модифікаційним обробкам, таким як легування, нанесення покриттів та грануляція, щоб оптимізувати структуру матеріалу та зменшити межу опору та опір дифузії Li + в активному тілі. Завдяки загальній оптимізації акумуляторної системи поляризація літієвої батареї при низьких температурах зменшується, а низькотемпературні характеристики батареї додатково покращуються.