أسباب ضعف أداء بطارية الليثيوم في الشتاء

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - ተንቀሳቃሽ የኃይል ጣቢያ አቅራቢ

منذ دخولها السوق، تم استخدام بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع بسبب مزاياها مثل عمرها الطويل وسعتها النوعية الكبيرة وعدم وجود تأثير الذاكرة. انخفاض درجة الحرارة في بطارية أيون الليثيوم منخفضة، والتوهين الشديد، وتكبير الدورة الضعيفة، وظاهرة الليثيوم الواضحة، وعدم توازن الليثيوم المتداخل. ومع ذلك، مع توسع التطبيق بشكل مستمر، يتزايد تقييد أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة.

وبحسب التقارير، تبلغ سعة تفريغ بطارية أيون الليثيوم حوالي 31.5% فقط في درجة حرارة الغرفة عند -20 درجة مئوية. تتراوح درجة حرارة تشغيل بطارية أيون الليثيوم التقليدية بين -20 إلى +55 درجة مئوية.

ومع ذلك، في مجالات الفضاء والمركبات الخاصة والكهربائية وما إلى ذلك، قد يُطلب من البطارية أن تعمل بشكل طبيعي عند درجة حرارة -40 درجة مئوية. ولذلك، فإن تحسين خصائص درجات الحرارة المنخفضة لبطاريات أيون الليثيوم له أهمية كبيرة.

في العوامل المقيدة لبطاريات الليثيوم أيون، تزداد لزوجة الإلكتروليت، حتى تتصلب جزئيًا، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة بطارية الليثيوم أيون، مما يؤدي إلى انخفاض موصلية بطارية الليثيوم أيون. تتدهور التوافقية بين الإلكتروليت والقطب السالب والحجاب الحاجز في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة تم ترسيب القطب السالب لبطارية أيون الليثيوم تحت بيئات ذات درجات حرارة منخفضة بشكل كبير، وتم تفاعل الليثيوم المعدني المترسب مع إلكتروليت، ونتج عن ترسب المنتج زيادة في سمك واجهة الإلكتروليت في الحالة الصلبة (SEI).

 تنخفض بطاريات أيون الليثيوم في نظام الانتشار الداخلي في المادة الفعالة في بيئة درجة الحرارة المنخفضة، وتزداد معاوقة نقل الشحنة (RCT) بشكل كبير مناقشة حول العامل المحدد لأداء بطاريات أيونات الليثيوم في درجات الحرارة المنخفضة: إن الإلكتروليت له تأثير مهم على أداء بطاريات أيونات الليثيوم في درجات الحرارة المنخفضة، كما أن خصائص التركيب والتصنيع للإلكتروليت لها تأثير مهم على درجة حرارة البطارية المنخفضة. المشكلة في درجة حرارة البطارية المنخفضة هي: ستكون لزوجة الإلكتروليت كبيرة، وسرعة توصيل الأيونات بطيئة، مما يؤدي إلى سرعة هجرة الإلكترون للدائرة الخارجية، وبالتالي فإن البطارية مستقطبة بشدة، وسعة الشحن والتفريغ لها انخفاض حاد.

وخاصة عند الشحن بدرجة حرارة منخفضة، يمكن لأيونات الليثيوم أن تشكل بسهولة رواسب الليثيوم على سطح القطب السالب، مما يؤدي إلى فشل البطارية. يرتبط أداء الإلكتروليت في درجات الحرارة المنخفضة ارتباطًا وثيقًا بحجم الإلكتروليت نفسه، كما أن أيون نقل الموصلية الكهربائية سريع، ويمكن إظهار المزيد من السعة في درجات الحرارة المنخفضة. كلما زادت أملاح الليثيوم في الإلكتروليت، زاد عدد الهجرة، وارتفعت الموصلية.

سرعة التوصيل الكهربائي، كلما كانت توصيلية الأيون أسرع، كانت الاستقطاب أصغر، وكان أداء البطارية أفضل في درجات الحرارة المنخفضة. لذلك، فإن الموصلية العالية هي شرط ضروري لتحقيق أداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة لبطاريات أيون الليثيوم ترتبط الموصلية الكهربائية للإلكتروليت بالتركيب التركيبي للإلكتروليت، وتعمل لزوجة المذيب على تحسين مسار الموصلية الكهربائية للإلكتروليت.

إن سيولة المذيب الجيدة عند درجة حرارة منخفضة للمذيب هي ضمان نقل الأيونات، كما أن غشاء الإلكتروليت الصلب الذي يشكله الإلكتروليت في الإلكتروليت ذو درجة الحرارة المنخفضة هو أيضًا مفتاح للتأثير على توصيل أيونات الليثيوم، وRSEI هي المعاوقة الرئيسية لبطارية أيونات الليثيوم في بيئة درجة حرارة منخفضة الخبير 2: إن العامل الرئيسي الذي يحد من أداء بطاريات أيون الليثيوم في درجات الحرارة المنخفضة هو الزيادة الحادة في معاوقة انتشار LI + عند درجات الحرارة المنخفضة، ولكن ليس فيلم SEI. خصائص درجات الحرارة المنخفضة للمواد الموجبة لبطارية ليثيوم أيون - 1 - خصائص درجات الحرارة المنخفضة للمواد الموجبة للبنية الطبقية تحتوي البنية الطبقية على قناة انتشار أحادية البعد لأيون الليثيوم لا مثيل لها، كما تتمتع باستقرار بنية القناة ثلاثية الأبعاد، وهي أول مادة موجبة لبطارية ليثيوم أيون تجارية.

تشمل المواد الممثلة لها LiiCoO2 و Li (CO1-XNIX) O2 و Li (Ni، Co، Mn) O2 شيه شياوهوا وآخرون تم أخذ LiCoo2 / MCMB كأشياء بحثية، وتم اختبار خصائص الشحن في درجات الحرارة المنخفضة.

 وتظهر النتائج أنه مع انخفاض درجة الحرارة، تنخفض منصة التفريغ من 3.762 فولت (0 درجة مئوية) إلى 3.207 فولت (-30 درجة مئوية)؛ كما تنخفض سعة البطارية الإجمالية من 78.

98 مللي أمبير · ساعة (0 درجة مئوية) إلى 68.55 مللي أمبير · ساعة (-30 درجة مئوية) - 2 - خصائص درجات الحرارة المنخفضة لهيكل السبينيل مادة إيجابية هيكل السبينيل LiMn2O4 مادة إيجابية، بسبب التكلفة الممتازة، والمزايا غير السامة بسبب عنصر الكو ومع ذلك، فإن تروس التكافؤ Mn متعددة التغيير وتأثير JAHN-Teller لـ Mn3 +، مما يؤدي إلى مشاكل مثل الاختلافات الهيكلية غير المستقرة والقابلة للعكس.

 بينج تشنغ شون، يشير إلى أن الأداء الكهروكيميائي لمواد القطب الموجب LiMn2O4 كبير، ويتم استخدام RCT كمثال: RCT لـ LIMN2O4 المصنوع بواسطة الطور الصلب عالي الحرارة أعلى بكثير من طريقة الجل المحلول، وهذه الظاهرة في أيون الليثيوم ينعكس معامل الانتشار أيضًا. يرجع السبب الرئيسي إلى حقيقة أن الطرق التركيبية المختلفة لها تأثير كبير على بلورة المنتج وشكله - 3 - خصائص درجة الحرارة المنخفضة لمادة القطب الموجب لنظام الفوسفات أصبحت LIFEPO4 الجسم الرئيسي للمادة الإيجابية لبطارية الطاقة الحالية بسبب استقرارها الحجمي الممتاز وسلامتها والمادة الثلاثية.

إن مقاومة درجات الحرارة المنخفضة لفوسفات الحديد ترجع بشكل أساسي إلى أن المادة نفسها هي العازل، وموصلية الإلكترون منخفضة، وانتشار أيون الليثيوم ضعيف، بحيث تزداد المقاومة الداخلية للبطارية، والاستقطاب مرتفع، ويتم حظر شحن البطارية وتفريغها، وبالتالي فإن الأداء في درجات الحرارة المنخفضة ليس مثاليًا وادي ييدي، الخ، عند دراسة سلوك الشحن والتفريغ لـ LifePO4 في درجات الحرارة المنخفضة، تكون كفاءة كولين 64٪ عند 96٪ و -20 درجة مئوية عند 55 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية، ويكون جهد التفريغ من 55 درجة مئوية 3.

11V. 2.62 فولت للتسليم إلى -20 درجة مئوية.

 XING et al، اكتشاف، بعد إضافة عوامل موصلة من النانوكربون، انخفضت الخصائص الكهروكيميائية لـ LiFePO4، وتحسن الأداء في درجات الحرارة المنخفضة؛ انخفض جهد التفريغ لـ LiFePO4 بعد التعديل 3.40 فولت إلى 3.09 فولت عند -25 درجة مئوية، وكان الانخفاض 9 فقط.

12%؛ وبلغت كفاءة بطاريتها 57.3%، وهي أعلى من 53.4% ​​للعامل الكهربائي غير النانوي عند -25 درجة مئوية.

 في الآونة الأخيرة، جذبت LIMNPO4 اهتمام الناس. وتوصلت الدراسة إلى أن LIMNPO4 يتمتع بمزايا الإمكانات العالية (4.1 فولت)، وعدم التلوث، والسعر المنخفض، والسعة النوعية الكبيرة (170 مللي أمبير/ساعة/جم).

ومع ذلك، نظرًا لأن LIMNPO4 أقل من الموصلية الأيونية المنخفضة لـ LiFePO4، فإنه غالبًا ما يستخدم في الاستبدال الفعلي لـ Mn لتكوين محلول صلب LiMn0.8Fe0.2PO4.

 إن خصائص درجة الحرارة المنخفضة لمادة القطب السالب لبطارية أيون الليثيوم أكثر خطورة مقارنة بمادة القطب الموجب، كما أن تدهور مادة القطب السالب لبطارية أيون الليثيوم بسبب درجة الحرارة المنخفضة أكثر خطورة، ويرجع ذلك أساسًا إلى الأسباب الثلاثة التالية: تصبح البطارية مستقطبة للغاية عندما يتم شحنها وتفريغها تحت درجة حرارة منخفضة وتكبير عالٍ، ويترسب الليثيوم المعدني السطحي السالب، ولا يتمتع ناتج تفاعل الليثيوم المعدني والإلكتروليت عمومًا بموصلية كهربائية؛ من الزاوية الديناميكية الحرارية، يحتوي الإلكتروليت على كمية كبيرة من عزل CO وCN، ويمكن أن يتفاعل مع مادة القطب السالب، ويكون فيلم SEI المتشكل أكثر عرضة لدرجات الحرارة المنخفضة؛ من الصعب أن يتفاعل القطب السالب للكربون مع الليثيوم تحت درجة حرارة منخفضة، وهناك عدم تناسق في الشحن والتفريغ دراسة إلكتروليت إلكتروليت إلكتروليت في بطارية أيون الليثيوم لها تأثير كبير على الموصلية الأيونية وخصائص تكوين فيلم SEI لأداء البطارية في درجات الحرارة المنخفضة. يُحكم على أن الإلكتروليت ذو درجة الحرارة المنخفضة مدمر للغاية، وهناك ثلاثة مؤشرات رئيسية: الموصلية الأيونية، والنوافذ الكهروكيميائية، وتفاعلية القطب.

يعتمد مستوى هذه المؤشرات الثلاثة إلى حد كبير على المادة المكونة لها: المذيب، والإلكتروليت (ملح الليثيوم)، والمادة المضافة. لذلك فإن دراسة أداء كل جزء من أجزاء الإلكتروليت في درجات الحرارة المنخفضة لها أهمية كبيرة لفهم وتحسين طاقة درجة الحرارة المنخفضة للبطارية. يتميز المنحل بالكهرباء القائم على EC بخصائص درجة الحرارة المنخفضة مقارنة بكربونات السلسلة، حيث أن بنية الكربونات الدائرية محكمة، وعالية، ولها نقطة انصهار ولزوجة عالية.

ومع ذلك، فإن القطبية الكبيرة التي يجلبها الهيكل الحلقي غالبًا ما يكون لها ثابت عازل كبير. يحتوي مذيب EC على ثابت عازل كبير، وموصلية أيونية عالية، وأداء مثالي لتكوين الفيلم، ويمنع بشكل فعال جزيء المذيب من الإدخال المشترك، بحيث يكون موضعًا لا غنى عنه، بحيث تكون أنظمة المحاليل الكهربائية منخفضة الحرارة كبيرة في الغالب، ثم يتم خلطها بمذيب جزيئي صغير منخفض الذوبان ملح الليثيوم هو أحد المكونات المهمة للإلكتروليت.

لا يمكن لملح الليثيوم تحسين التوصيل الأيوني للمحلول في الإلكتروليت فحسب، بل يمكنه أيضًا تقليل مسافة انتشار Li + في المحلول. بشكل عام، كلما زاد تركيز Li + في المحلول، زادت موصلية الأيونات. ومع ذلك، فإن تركيز تركيز أيون الليثيوم في الإلكتروليت ليس مرتبطًا خطيًا، بل هو مكافئ.

وذلك لأن تركيز أيون الليثيوم في المذيب يعتمد على إذابة ملح الليثيوم في المذيب وقوة الارتباط دراسة الإلكتروليتات منخفضة الحرارة باستثناء البطارية المكونة من التشغيل الفعلي، يمكن أن يكون لأداء البطارية أيضًا تأثير كبير على أداء البطارية عملية التحضير.

يعقوب وآخرون البحث في حمل القطب وسمك الطلاء على أداء درجات الحرارة المنخفضة لـ lini0.6co0.

2 mn0.2O2 / بطارية الجرافيت، من حيث نسبة الاحتفاظ بالسعة، كلما كان حمل القطب أصغر، كانت طبقة الطلاء أرق، وكان الأداء في درجات الحرارة المنخفضة أفضل  حالة الشحن والتفريغ.

وجد بيتزل وآخرون، تأثير الشحنة ذات درجة الحرارة المنخفضة وعمر دورة البطارية، أنه عندما يكون عمق التفريغ كبيرًا، يحدث فقدان كبير في السعة، وينخفض ​​عمر الدورة عوامل أخرى.

مساحة سطح القطب، والفتحة، وكثافة القطب، وقابلية القطب للبلل والإلكتروليت، وما شابه ذلك، والتي تؤثر على أداء بطارية أيون الليثيوم في درجات الحرارة المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن تجاهل تأثير العيوب في المواد والعمليات على أداء البطارية في درجات الحرارة المنخفضة ملخص لضمان أداء بطارية الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة، عليك القيام بما يلي: تشكيل فيلم SEI رقيق وكثيف؛ تأكد من أن Li + لديه معامل انتشار كبير في المادة الفعالة؛ يتمتع الإلكتروليت بموصلية أيونية عالية عند درجة حرارة منخفضة.

 بالإضافة إلى ذلك، يمكن للدراسة أيضًا اتباع نهج مختلف لنوع آخر من بطاريات أيون الليثيوم - بطارية أيون الليثيوم الصلبة بالكامل. بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، من المتوقع أن تحل جميع بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة، وخاصة بطاريات الليثيوم أيون ذات الأغشية الرقيقة الصلبة بالكامل، مشكلة ضعف السعة وقضايا سلامة الدورة المستخدمة في درجات الحرارة المنخفضة.