2024-04-26
Por que a capacidade da bateria de lítio diminui no inverno
Por que a capacidade da bateria de lítio diminui no inverno?
Desde que entraram no mercado, as baterias de íons de lítio têm sido amplamente utilizadas devido às suas vantagens, como longa vida útil, grande capacidade específica e nenhum efeito memória. O uso de baterias de íon-lítio em baixa temperatura apresenta problemas como baixa capacidade, atenuação severa, baixo desempenho da taxa de ciclo, evolução óbvia do lítio e remoção e inserção desequilibradas de lítio. No entanto, com a expansão contínua dos campos de aplicação, as restrições trazidas pelo fraco desempenho em baixas temperaturas das baterias de íons de lítio estão se tornando cada vez mais aparentes.
Desde que as baterias de íon-lítio entraram no mercado, elas têm sido amplamente utilizadas devido às suas vantagens, como longa vida útil, grande capacidade específica e nenhum efeito memória. As baterias de íons de lítio usadas em baixas temperaturas apresentam problemas como baixa capacidade, atenuação grave, baixo desempenho da taxa de ciclo, precipitação óbvia de lítio e desintercalação e desintercalação desequilibrada de lítio. No entanto, à medida que os campos de aplicação continuam a se expandir, as restrições causadas pelo fraco desempenho em baixas temperaturas das baterias de íons de lítio tornaram-se cada vez mais óbvias.
Segundo relatos, a capacidade de descarga das baterias de íon de lítio a -20 ℃ é apenas cerca de 31,5% daquela à temperatura ambiente. As baterias tradicionais de íon de lítio operam em temperaturas entre -20~+55 ℃. No entanto, em áreas como aeroespacial, militar e veículos elétricos, é necessário que a bateria possa operar normalmente a -40 ℃. Portanto, melhorar as propriedades de baixa temperatura das baterias de íons de lítio é de grande importância.
Segundo relatos, a capacidade de descarga das baterias de íons de lítio a -20°C é apenas cerca de 31,5% daquela à temperatura ambiente. A temperatura operacional das baterias tradicionais de íon de lítio está entre -20 ~ + 55 ℃. No entanto, na indústria aeroespacial, militar, veículos eléctricos e outros campos, as baterias são obrigadas a funcionar normalmente a -40°C. Portanto, melhorar as propriedades de baixa temperatura das baterias de íons de lítio é de grande importância.
Fatores que restringem o desempenho em baixas temperaturas das baterias de íon de lítio
Discussão sobre fatores que afetam o desempenho em baixas temperaturas de baterias de íons de lítio
Opinião de especialista 1: O eletrólito tem o maior impacto no desempenho em baixas temperaturas das baterias de íon-lítio, e a composição e as propriedades físico-químicas do eletrólito têm um impacto importante no desempenho em baixas temperaturas das baterias. O problema enfrentado pelo ciclo de baixa temperatura das baterias é que a viscosidade do eletrólito aumenta, a velocidade de condução iônica diminui e a velocidade de migração dos elétrons no circuito externo não corresponde, resultando em polarização severa da bateria e um forte diminuição da capacidade de carga e descarga. Especialmente ao carregar em baixas temperaturas, os íons de lítio podem facilmente formar dendritos de lítio na superfície negativa do eletrodo, levando à falha da bateria.
Opinião de especialista 1: O eletrólito tem o maior impacto no desempenho em baixas temperaturas das baterias de íons de lítio. A composição e as propriedades físicas e químicas do eletrólito têm um impacto importante no desempenho em baixas temperaturas da bateria. O problema enfrentado pelas baterias que circulam em baixas temperaturas é que a viscosidade do eletrólito aumentará e a velocidade de condução iônica diminuirá, resultando em uma incompatibilidade na velocidade de migração de elétrons do circuito externo. polarizado e a capacidade de carga e descarga será drasticamente reduzida. Especialmente ao carregar em baixas temperaturas, os íons de lítio podem facilmente formar dendritos de lítio na superfície do eletrodo negativo, causando falha na bateria.
O desempenho em baixa temperatura de um eletrólito está intimamente relacionado à sua própria condutividade. Eletrólitos com alta condutividade transportam íons rapidamente e podem exercer maior capacidade em baixas temperaturas. Quanto mais sais de lítio se dissociam no eletrólito, mais migração ocorre e maior é a condutividade. Quanto maior a condutividade e mais rápida a taxa de condução iônica, menor será a polarização recebida e melhor será o desempenho da bateria em baixas temperaturas. Portanto, uma condutividade mais alta é uma condição necessária para alcançar um bom desempenho em baixas temperaturas das baterias de íons de lítio.
O desempenho em baixa temperatura do eletrólito está intimamente relacionado à condutividade do próprio eletrólito. O eletrólito com alta condutividade pode transportar íons rapidamente e exercer mais capacidade em baixas temperaturas. Quanto mais sais de lítio no eletrólito estiverem dissociados, maior será o número de migrações e maior será a condutividade. A condutividade é alta e quanto mais rápida for a taxa de condução iônica, menor será a polarização e melhor será o desempenho da bateria em baixas temperaturas. Portanto, maior condutividade elétrica é uma condição necessária para alcançar um bom desempenho em baixas temperaturas das baterias de íon-lítio.
A condutividade de um eletrólito está relacionada à sua composição, e reduzir a viscosidade do solvente é uma das formas de melhorar a condutividade do eletrólito. A boa fluidez dos solventes em baixas temperaturas é uma garantia para o transporte de íons, e o filme eletrolítico sólido formado pelo eletrólito no eletrodo negativo em baixas temperaturas também é um fator chave que afeta a condução de íons de lítio, e RSEI é a principal impedância do lítio- baterias de íon em ambientes de baixa temperatura.
A condutividade do eletrólito está relacionada à composição do eletrólito. A redução da viscosidade do solvente é uma das formas de melhorar a condutividade do eletrólito. A boa fluidez do solvente em baixas temperaturas garante o transporte de íons, e o filme eletrolítico sólido formado pelo eletrólito no eletrodo negativo em baixas temperaturas também é a chave para afetar a condução de íons de lítio, e RSEI é a principal impedância das baterias de íons de lítio em ambientes de baixa temperatura.
Especialista 2: O principal fator que limita o desempenho em baixas temperaturas das baterias de íons de lítio é o rápido aumento da impedância de difusão de Li+ em baixas temperaturas, em vez da membrana SEI.
Especialista 2: O principal fator que limita o desempenho em baixas temperaturas das baterias de íons de lítio é o aumento acentuado na resistência à difusão de Li+ em baixas temperaturas, e não o filme SEI.
Características de baixa temperatura de materiais de eletrodos positivos para baterias de íons de lítio
Características de baixa temperatura dos materiais catódicos da bateria de íons de lítio
1. Características de baixa temperatura de materiais de eletrodo positivo em camadas
1. Características de baixa temperatura de materiais catódicos de estrutura em camadas
A estrutura em camadas, com desempenho de taxa incomparável em comparação com canais de difusão de íons de lítio unidimensionais e estabilidade estrutural de canais tridimensionais, é o primeiro material de eletrodo positivo disponível comercialmente para baterias de íons de lítio. Suas substâncias representativas incluem LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 e Li (Ni, Co, Mn) O2.
A estrutura em camadas não apenas possui um desempenho de taxa incomparável de canais unidimensionais de difusão de íons de lítio, mas também possui a estabilidade estrutural de canais tridimensionais. É o primeiro material comercial de cátodo de bateria de íons de lítio. Suas substâncias representativas incluem LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 e Li(Ni,Co,Mn)O2, etc.
Xie Xiaohua et al. estudou LiCoO2/MCMB e testou suas características de carga e descarga em baixa temperatura.
Xie Xiaohua e outros usaram LiCoO2/MCMB como objeto de pesquisa e testaram suas características de carga e descarga em baixa temperatura.
Os resultados mostraram que à medida que a temperatura diminuía, o patamar de descarga diminuiu de 3,762V (0 ℃) para 3,207V (-30 ℃); A capacidade total da bateria também diminuiu drasticamente de 78,98 mA · h (0 ℃) para 68,55 mA · h (-30 ℃).
Os resultados mostram que à medida que a temperatura diminui, sua plataforma de descarga cai de 3,762 V (0 ℃) para 3,207 V (–30 ℃); a capacidade total da bateria também cai drasticamente de 78,98 mAh (0 ℃) para 68,55 mAh. (–30°C).
2. Características de baixa temperatura de materiais catódicos estruturados em espinélio
2. Características de baixa temperatura de materiais catódicos com estrutura de espinélio
O material catódico LiMn2O4 estruturado em espinélio tem as vantagens de baixo custo e não toxicidade devido à ausência do elemento Co.
O material catódico LiMn2O4 com estrutura de espinélio não contém elemento Co, portanto tem as vantagens de baixo custo e não toxicidade.
No entanto, os estados de valência variáveis do Mn e o efeito Jahn Teller do Mn3+ resultam em instabilidade estrutural e fraca reversibilidade deste componente.
No entanto, o estado de valência variável do Mn e o efeito Jahn-Teller do Mn3+ levam à instabilidade estrutural e à fraca reversibilidade deste componente.
Peng Zhengshun et al. apontaram que diferentes métodos de preparação têm um grande impacto no desempenho eletroquímico dos materiais catódicos LiMn2O4. Tomemos Rct como exemplo: o Rct de LiMn2O4 sintetizado pelo método de fase sólida de alta temperatura é significativamente maior do que aquele sintetizado pelo método sol gel, e esse fenômeno também se reflete no coeficiente de difusão de íons de lítio. A principal razão para isto é que diferentes métodos de síntese têm um impacto significativo na cristalinidade e na morfologia dos produtos.
Peng Zhengshun et al. apontaram que diferentes métodos de preparação têm um impacto maior no desempenho eletroquímico dos materiais catódicos de LiMn2O4 tomando o Rct como exemplo: o Rct do LiMn2O4 sintetizado pelo método de fase sólida de alta temperatura é significativamente maior do que o sintetizado. pelo método sol-gel, e esse fenômeno ocorre em íons de lítio. Também se reflete no coeficiente de difusão. A razão é principalmente porque diferentes métodos de síntese têm maior impacto na cristalinidade e morfologia do produto.
3. Características de baixa temperatura dos materiais catódicos do sistema de fosfato
3. Características de baixa temperatura dos materiais catódicos do sistema de fosfato
LiFePO4, juntamente com materiais ternários, tornou-se o principal material de eletrodo positivo para baterias de energia devido à sua excelente estabilidade de volume e segurança.
O material catódico LiMn2O4 com estrutura de espinélio não contém elemento Co, portanto tem as vantagens de baixo custo e não toxicidade.
O fraco desempenho em baixas temperaturas do fosfato de ferro-lítio deve-se principalmente ao fato de seu material ser um isolante, baixa condutividade eletrônica, baixa difusão de íons de lítio e baixa condutividade em baixas temperaturas, o que aumenta a resistência interna da bateria e é muito afetado pela polarização , dificultando o carregamento e descarregamento da bateria, resultando em desempenho insatisfatório em baixas temperaturas.
Devido à sua excelente estabilidade de volume e segurança, o LiFePO4, juntamente com os materiais ternários, tornou-se o corpo principal dos atuais materiais catódicos para baterias de energia. O fraco desempenho em baixas temperaturas do fosfato de ferro-lítio ocorre principalmente porque o próprio material é um isolante, com baixa condutividade eletrônica, baixa difusividade de íons de lítio e baixa condutividade em baixas temperaturas, o que aumenta a resistência interna da bateria, é muito afetado por polarização e dificulta o carregamento e descarregamento da bateria. Portanto, o desempenho em baixas temperaturas não é o ideal.
Ao estudar o comportamento de carga e descarga do LiFePO4 em baixas temperaturas, Gu Yijie et al. descobriram que sua eficiência coulombiana diminuiu de 100% a 55 ℃ para 96% a 0 ℃ e 64% a -20 ℃, respectivamente; A tensão de descarga diminui de 3,11 V a 55 ℃ para 2,62 V a -20 ℃.
Quando Gu Yijie et al. estudaram o comportamento de carga e descarga do LiFePO4 em baixas temperaturas, eles descobriram que sua eficiência Coulombic caiu de 100% a 55°C para 96% a 0°C e 64% a –20°C na descarga; a tensão caiu de 3,11 V a 55°C Diminui para 2,62 V a –20°C.
Xing et al. modificou o LiFePO4 usando nanocarbono e descobriu que a adição de agentes condutores de nanocarbono reduziu a sensibilidade do desempenho eletroquímico do LiFePO4 à temperatura e melhorou seu desempenho em baixa temperatura; A tensão de descarga do LiFePO4 modificado diminuiu de 3,40 V a 25 ℃ para 3,09 V a -25 ℃, com uma diminuição de apenas 9,12%; E a eficiência da bateria é de 57,3% a -25 ℃, superior a 53,4% sem agentes condutores de nanocarbono.
Xing et al. usaram nanocarbono para modificar o LiFePO4 e descobriram que após a adição do agente condutor de nanocarbono, o desempenho eletroquímico do LiFePO4 foi menos sensível à temperatura e o desempenho em baixa temperatura foi melhorado após a modificação, LiFePO4; A tensão de descarga caiu de 3,40 V a 25 ℃ para 3,09 V a –25 ℃, uma diminuição de apenas 9,12% e a eficiência da bateria a –25 ℃ foi de 57,3%, superior a 53,4% sem agente condutor de nanocarbono;
Recentemente, o LiMnPO4 despertou grande interesse entre as pessoas. A pesquisa descobriu que o LiMnPO4 tem vantagens como alto potencial (4,1V), nenhuma poluição, baixo preço e grande capacidade específica (170mAh/g). No entanto, devido à menor condutividade iônica do LiMnPO4 em comparação com o LiFePO4, o Fe é frequentemente usado para substituir parcialmente o Mn para formar soluções sólidas de LiMn0.8Fe0.2PO4 na prática.
Recentemente, o LiMnPO4 atraiu grande interesse. A pesquisa descobriu que o LiMnPO4 tem as vantagens de alto potencial (4,1V), nenhuma poluição, baixo preço e grande capacidade específica (170mAh/g). No entanto, devido à menor condutividade iônica do LiMnPO4 do que do LiFePO4, o Fe é frequentemente usado para substituir parcialmente o Mn na prática para formar a solução sólida de LiMn0.8Fe0.2PO4.
Propriedades de baixa temperatura de materiais anódicos de baterias de íons de lítio
Em comparação com materiais de eletrodos positivos, o fenômeno de degradação em baixa temperatura de materiais de eletrodos negativos em baterias de íons de lítio é mais severo, principalmente devido aos três motivos a seguir:
Em comparação com os materiais catódicos, a deterioração em baixa temperatura dos materiais anódicos da bateria de íons de lítio é mais séria. Existem três razões principais:
Pesquisa sobre eletrólitos de baixa temperatura
Pesquisa sobre eletrólito de baixa temperatura
O eletrólito desempenha um papel na transmissão de baterias de íons de lítio Li +, e sua condutividade iônica e desempenho de formação de filme SEI têm um impacto significativo no desempenho de baixa temperatura da bateria. Existem três indicadores principais para avaliar a qualidade dos eletrólitos de baixa temperatura: condutividade iônica, janela eletroquímica e atividade de reação do eletrodo. O nível destes três indicadores depende em grande parte dos seus materiais constituintes: solventes, eletrólitos (sais de lítio) e aditivos. Portanto, o estudo do desempenho em baixa temperatura de várias partes do eletrólito é de grande importância para a compreensão e melhoria do desempenho em baixa temperatura das baterias.
O eletrólito desempenha um papel no transporte de Li+ em baterias de íons de lítio, e sua condutividade iônica e propriedades de formação de filme SEI têm um impacto significativo no desempenho da bateria em baixas temperaturas. Existem três indicadores principais para julgar a qualidade dos eletrólitos de baixa temperatura: condutividade iônica, janela eletroquímica e reatividade do eletrodo. Os níveis destes três indicadores dependem em grande medida dos seus materiais constituintes: solvente, eletrólito (sal de lítio) e aditivos. Portanto, o estudo das propriedades de baixa temperatura de várias partes do eletrólito é de grande importância para a compreensão e melhoria do desempenho da bateria em baixa temperatura.
O sal de lítio é um componente importante do eletrólito. O sal de lítio no eletrólito pode não apenas aumentar a condutividade iônica da solução, mas também reduzir a distância de difusão do Li+ na solução. De modo geral, quanto maior a concentração de Li+ na solução, maior será sua condutividade iônica. No entanto, a concentração de iões de lítio no electrólito não está linearmente relacionada com a concentração de sal de lítio, mas é parabólica. Isto ocorre porque a concentração de íons de lítio no solvente depende da força da dissociação e associação do sal de lítio no solvente.
Pesquisa sobre eletrólitos de baixa temperatura
Pesquisa sobre eletrólito de baixa temperatura
Além da própria composição da bateria, os fatores do processo na operação prática também podem ter um impacto significativo no desempenho da bateria.
Além da própria composição da bateria, os fatores do processo na operação real também terão um grande impacto no desempenho da bateria.
(1) Processo de preparação. Yaqub et al. estudaram o efeito da carga do eletrodo e da espessura do revestimento no desempenho em baixas temperaturas de baterias LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Grafite e descobriram que em termos de retenção de capacidade, quanto menor a carga do eletrodo e mais fina a camada de revestimento, melhor será sua desempenho em baixa temperatura.
(1) Processo de preparação. Yaqub et al. estudaram os efeitos da carga do eletrodo e da espessura do revestimento no desempenho em baixas temperaturas de baterias LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2/Grafite e descobriram que, em termos de retenção de capacidade, quanto menor a carga do eletrodo e mais fina a camada de revestimento. , melhor será o desempenho em baixas temperaturas.
(2) Status de carga e descarga. Petzl et al. estudou o efeito das condições de carga e descarga de baixa temperatura no ciclo de vida das baterias e descobriu que quando a profundidade de descarga é grande, causará perda significativa de capacidade e reduzirá o ciclo de vida.
(2) Estado de carga e descarga. Petzl et al. estudaram o impacto dos estados de carga e descarga de baixa temperatura na vida útil da bateria e descobriram que quando a profundidade de descarga é grande, causará maior perda de capacidade e reduzirá a vida útil do ciclo.
(3) Outros fatores. A área de superfície, o tamanho dos poros, a densidade do eletrodo, a molhabilidade entre o eletrodo e o eletrólito e o separador afetam o desempenho em baixas temperaturas das baterias de íon-lítio. Além disso, o impacto dos defeitos de material e processo no desempenho das baterias em baixas temperaturas não pode ser ignorado.
(3) Outros fatores. A área de superfície, o tamanho dos poros, a densidade do eletrodo, a molhabilidade do eletrodo e do eletrólito e o separador afetam o desempenho em baixa temperatura das baterias de íon de lítio. Além disso, o impacto dos defeitos nos materiais e processos no desempenho das baterias em baixas temperaturas não pode ser ignorado.
Resumo
Resumir
Para garantir o desempenho em baixas temperaturas das baterias de íon de lítio, os seguintes pontos precisam ser bem executados:
(1) Formação de um filme SEI fino e denso;
(2) Garantir que o Li+ tenha um alto coeficiente de difusão na substância ativa;
(3) Os eletrólitos possuem alta condutividade iônica em baixas temperaturas.
Além disso, a pesquisa pode adotar uma abordagem diferente e focar em outro tipo de bateria de íons de lítio – todas as baterias de íons de lítio em estado sólido. Em comparação com as baterias convencionais de íons de lítio, espera-se que todas as baterias de íons de lítio de estado sólido, especialmente todas as baterias de íons de lítio de película fina de estado sólido, resolvam completamente a degradação da capacidade e os problemas de segurança do ciclo das baterias usadas em baixas temperaturas.
Para garantir o desempenho em baixas temperaturas das baterias de íons de lítio, os seguintes pontos precisam ser atendidos:
(1) Formar um filme SEI fino e denso;
(2) Garantir que o Li+ tenha um grande coeficiente de difusão no material ativo;
(3) O eletrólito possui alta condutividade iônica em baixas temperaturas.
Além disso, a pesquisa também pode encontrar outra maneira de se concentrar em outro tipo de bateria de íon de lítio - bateria de íon de lítio totalmente em estado sólido. Em comparação com as baterias convencionais de íons de lítio, espera-se que as baterias totalmente de íons de lítio de estado sólido, especialmente as baterias de íons de lítio de película fina totalmente sólidas, resolvam completamente o problema de atenuação de capacidade e problemas de segurança de ciclo das baterias usadas em baixas temperaturas.