Seitdem Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt sind, werden sie aufgrund ihrer Vorteile wie lange Lebensdauer, große Batteriekapazitätund kein Memory-Effekt.
Lithium-Ionen-Batterien, die bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden, haben Probleme wie geringe Kapazität, starke Dämpfung, schlechte Zyklusleistung, offensichtliche Lithiumausfällung und ein Ungleichgewicht bei der Lithium-Deinterkalation und -Deinterkalation. Mit der Ausweitung der Anwendungsbereiche werden die Einschränkungen, die durch die schlechte Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen verursacht werden, jedoch immer deutlicher.
Berichten zufolge beträgt die Entladekapazität von Lithium-Ionen-Batterien bei -20 °C nur etwa 31,5% der Kapazität bei Raumtemperatur. Die Betriebstemperatur herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien liegt zwischen -20~+55℃.
In der Luft- und Raumfahrt, der Militärindustrie, bei Elektrofahrzeugen und in anderen Bereichen wird jedoch nicht nur verhindert, dass Batterieheizungmuss die Batterie auch bei -40 °C normal funktionieren. Daher ist die Verbesserung der Tieftemperatureigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien von großer Bedeutung.
Faktoren, die die Tieftemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien einschränken
1. Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Viskosität des Elektrolyten zu und verfestigt sich sogar teilweise, was zu einer Abnahme der Leitfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien führt und Batterieausfall.
2. Die Kompatibilität zwischen dem Elektrolyt, der negativen Elektrode und dem Separator verschlechtert sich bei niedrigen Umgebungstemperaturen.
3. Lithium wird von der negativen Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien in Niedrigtemperaturumgebungen stark abgeschieden, und das abgeschiedene metallische Lithium reagiert mit dem Elektrolyten, und die Produktabscheidung verursacht eine Zunahme der Dicke der Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI).
4. Bei niedrigen Temperaturen nimmt das Diffusionssystem innerhalb des aktiven Materials von Lithium-Ionen-Batterien ab, und der Ladungsübergangswiderstand (Rct) steigt erheblich.
Tieftemperatur-Eigenschaften von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien
1. Tieftemperatureigenschaften von Kathodenmaterialien mit Schichtstruktur
Die geschichtete Struktur hat nicht nur eine unvergleichliche Leistung von eindimensionalen Lithium-Ionen-Diffusionskanälen, sondern auch die strukturelle Stabilität von dreidimensionalen Kanälen. Es ist das erste kommerzielle Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Zu den repräsentativen Stoffen gehören LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 und Li(Ni,Co,Mn)O2, usw.
Einige Experten nutzten LiCoO2/MCMB als Forschungsobjekt und testeten dessen Lade- und Entladeeigenschaften bei niedrigen Temperaturen.
Die Ergebnisse zeigen, dass mit abnehmender Temperatur die Entladeplattform von 3,762 V (0℃) auf 3,207 V (-30℃) sinkt; die Gesamtkapazität der Batterie fällt ebenfalls stark von 78,98 mA-h (0℃) auf 68,55 mA-h (-30°C).
2. Niedrigtemperatur-Eigenschaften von Kathodenmaterialien mit Spinellstruktur
Das Kathodenmaterial mit Spinellstruktur LiMn2O4 enthält kein Co-Element und hat daher den Vorteil, dass es kostengünstig und ungiftig ist.
Der variable Valenzzustand von Mn und der Jahn-Teller-Effekt von Mn3+ führen jedoch zu struktureller Instabilität und schlechter Reversibilität dieser Komponente.
3. Tieftemperatureigenschaften von Kathodenmaterialien des Phosphatsystems
Aufgrund seiner hervorragenden Volumenstabilität und Sicherheit ist LiFePO4 zusammen mit ternären Materialien zum Hauptbestandteil der aktuellen Kathodenmaterialien für Leistungsbatterien geworden.
Die schlechte Leistung von Lithiumeisenphosphat bei niedrigen Temperaturen ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass das Material selbst ein Isolator ist, der eine niedrige elektronische Leitfähigkeit, eine geringe Diffusionsfähigkeit für Lithiumionen und eine schlechte Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen aufweist, was den Innenwiderstand der Batterie erhöht, durch Polarisierung stark beeinträchtigt wird und die Batterieaufladung und Entladung. Daher ist die Leistung bei niedrigen Temperaturen nicht ideal.
In letzter Zeit hat LiMnPO4 großes Interesse auf sich gezogen. Die Forschung hat herausgefunden, dass LiMnPO4 die Vorteile eines hohen Potenzials (4,1 V), keiner Verschmutzung, eines niedrigen Preises und einer großen spezifischen Kapazität (170 mAh/g) hat. Aufgrund der geringeren Ionenleitfähigkeit von LiMnPO4 im Vergleich zu LiFePO4 wird in der Praxis jedoch häufig Fe als teilweiser Ersatz für Mn verwendet, um LiMn0,8Fe0,2PO4-Mischkristalle zu bilden.
Tieftemperatureigenschaften von Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien
Im Vergleich zu Kathodenmaterialien ist die Verschlechterung der Anodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen gravierender. Dafür gibt es drei Hauptgründe:
1. Beim Laden und Entladen bei niedrigen Temperaturen und hohen Geschwindigkeiten wird die Batterie stark polarisiert, und eine große Menge an metallischem Lithium lagert sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode ab, und das Reaktionsprodukt zwischen metallischem Lithium und dem Elektrolyt ist im Allgemeinen nicht leitfähig;
2. Aus thermodynamischer Sicht enthält der Elektrolyt eine große Anzahl polarer Gruppen wie C-O und C-N, die mit dem Anodenmaterial reagieren können, und der gebildete SEI-Film ist anfälliger für niedrige Temperaturen;
3. Negative Elektroden aus Kohlenstoff haben Schwierigkeiten, Lithium bei niedrigen Temperaturen einzubetten, und es kommt zu einer Asymmetrie bei der Ladung und Entladung.
Forschung über Niedertemperatur-Elektrolyte
Der Elektrolyt spielt eine Rolle beim Transport von Li+ in Lithium-Ionen-Batterien, und seine Ionenleitfähigkeit und SEI-Filmbildungseigenschaften haben einen erheblichen Einfluss auf die Tieftemperaturleistung der Batterie.
Es gibt drei Hauptindikatoren zur Beurteilung der Qualität von Tieftemperaturelektrolyten: ionische Leitfähigkeit, elektrochemisches Fenster und Reaktivität der Elektrode. Die Werte dieser drei Indikatoren hängen in hohem Maße von ihren Bestandteilen ab: Lösungsmittel, Elektrolyt (Lithiumsalz) und Zusatzstoffe.
Daher ist die Untersuchung der Tieftemperatureigenschaften der verschiedenen Teile des Elektrolyten von großer Bedeutung für das Verständnis und die Verbesserung der Tieftemperaturleistung der Batterie.
Im Vergleich zu Kettenkarbonaten zeichnen sich Elektrolyte auf EC-Basis bei niedrigen Temperaturen dadurch aus, dass zyklische Karbonate eine dichte Struktur, eine starke Kraft, einen höheren Schmelzpunkt und eine höhere Viskosität aufweisen.
Die durch die Ringstruktur bedingte hohe Polarität führt jedoch häufig zu einer hohen Dielektrizitätskonstante. Die große Dielektrizitätskonstante, die hohe Ionenleitfähigkeit und die hervorragenden filmbildenden Eigenschaften von EC-Lösungsmitteln verhindern wirksam die Miteinlagerung von Lösungsmittelmolekülen und machen sie daher unverzichtbar.
Daher basieren die am häufigsten verwendeten Niedertemperatur-Elektrolytsysteme auf EC und werden mit niedermolekularen Lösungsmitteln mit niedrigem Schmelzpunkt gemischt.
Lithiumsalz ist ein wichtiger Bestandteil des Elektrolyten. Lithiumsalze im Elektrolyten können nicht nur die ionische Leitfähigkeit der Lösung erhöhen, sondern auch die Diffusionsdistanz von Li+ in der Lösung verringern. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Li+-Konzentration in der Lösung ist, desto größer ist ihre ionische Leitfähigkeit.
Die Lithiumionenkonzentration im Elektrolyten ist jedoch nicht linear mit der Lithiumsalzkonzentration verbunden, sondern verläuft parabolisch. Dies liegt daran, dass die Konzentration der Lithiumionen im Lösungsmittel von der Stärke der Dissoziation und Assoziation des Lithiumsalzes im Lösungsmittel abhängt.
Schlussfolgerung
Um die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen zu gewährleisten, müssen folgende Punkte beachtet werden:
(1) Bilden Sie einen dünnen und dichten SEI-Film;
(2) Stellen Sie sicher, dass Li+ einen großen Diffusionskoeffizienten im aktiven Material hat;
(3) Der Elektrolyt hat eine hohe Ionenleitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen.
Darüber hinaus wird erwartet, dass Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere Festkörper-Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterien, im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien das Problem der Kapazitätsabschwächung vollständig lösen werden und Lebensdauer der Batterie Sicherheitsprobleme bei Batterien, die bei niedrigen Temperaturen verwendet werden.
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