Metoda zlepšování výkonu lithium-iontové baterie při nízké teplotě
Sep 15, 2020
Hlavní faktory pro špatný výkon lithium-iontových baterií při nízké teplotě jsou stále diskutovány. Hlavní důvody jsou: viskozita elektrolytu se zvyšuje při nízkých teplotách a klesá vodivost; zvyšuje se odpor membrány rozhraní elektrolyt / elektroda a odpor přenosu náboje; ionty lithia jsou v těle aktivního materiálu Rychlost migrace v médiu klesá. Ve výsledku se polarizace elektrod při nízkých teplotách zvyšuje a kapacita nabíjení a vybíjení se snižuje.
Během nízkoteplotního nabíjení lithium-iontových baterií, zejména při nízkoteplotním vysokorychlostním nabíjení, dojde v záporné elektrodě ke srážení a usazování lithiového kovu. Usazený kovový lithium snadno ireverzibilně reaguje s elektrolytem a spotřebovává velké množství elektrolytu. Současně se dále zvyšuje tloušťka filmu SEI, což má za následek, že se dále zvyšuje impedance povrchového filmu záporných elektrod baterie a polarizace baterie se opět zvyšuje, což značně poškodí výkon při nízké teplotě, životnost a bezpečnost baterie.
Metoda zlepšování výkonu lithium-iontové baterie při nízkých teplotách Metoda modifikace pro zlepšení výkonu baterie při nízkých teplotách ze tří aspektů: kladná elektroda, elektrolyt a záporná elektroda.
1. Katodový materiál
Hlavní způsoby, jak zlepšit výkon iontové difúze katodových materiálů při nízké teplotě, jsou:
1 Metoda povrchového potahování těla aktivního materiálu s materiály vynikající vodivosti zlepšuje vodivost rozhraní materiálu kladné elektrody, snižuje impedanci rozhraní a současně snižuje vedlejší reakce materiálu pozitivní elektrody a elektrolytu a stabilizuje strukturu materiálu.
2 Těleso materiálu je hromadně dotováno Mn, Al, Cr, Mg, F a dalšími prvky a rozestup vrstev materiálu se zvyšuje, aby se zvýšila rychlost difúze Li + v těle, snížila se difúze odolnost Li + a zlepšit výkon baterie při nízkých teplotách.
3 Snižte velikost částic materiálu a zkrátte migrační cestu Li +. Je třeba zdůraznit, že tato metoda zvýší specifický povrch materiálu a zvýší vedlejší reakci s elektrolytem.
2. Elektrolyt
Jako důležitá součást lithium-iontové baterie určuje elektrolyt nejen rychlost migrace Li + v kapalné fázi, ale také se podílí na tvorbě filmu SEI, který hraje klíčovou roli při výkonu film SEI. Při nízkých teplotách se zvyšuje viskozita elektrolytu, snižuje se vodivost, zvyšuje se impedance filmu SEI a zhoršuje se kompatibilita s pozitivními a negativními materiály, což výrazně zhoršuje hustotu energie a výkonnost baterie.
V současné době existují dva způsoby, jak zlepšit výkon při nízkých teplotách pomocí elektrolytu:
(1) Zlepšit nízkoteplotní vodivost elektrolytu optimalizací složení rozpouštědla a použitím nových solí elektrolytu;
(2) Ke zlepšení vlastností filmu SEI použijte nová aditiva, která napomáhají vedení Li + při nízkých teplotách.
1 Optimalizujte složení rozpouštědla
Nízkoteplotní výkon elektrolytu je určen hlavně jeho nízkoteplotním eutektickým bodem. Pokud je teplota tání příliš vysoká, elektrolyt snadno krystalizuje při nízkých teplotách, což vážně ovlivní vodivost elektrolytu. Ethylenkarbonát (EC) je hlavní složkou rozpouštědla elektrolytu, ale jeho teplota tání je 36 ° C a jeho rozpustnost v elektrolytu klesá nebo se dokonce vysráží při nízkých teplotách, což má větší dopad na nízkoteplotní vlastnosti baterie. Přidáním složek s nízkou teplotou tání a složek s nízkou viskozitou ke snížení obsahu EC v rozpouštědle lze účinně snížit viskozitu a eutektický bod elektrolytu při nízkých teplotách a zlepšit vodivost elektrolytu.
2 Nová sůl elektrolytu
Elektrolytová sůl je jednou z důležitých složek elektrolytu a je také klíčovým faktorem pro získání vynikajících vlastností při nízkých teplotách. V současné době je komerční solí elektrolytu hexafluorfosforečnan lithný a vytvořený film SEI má velkou impedanci, což má za následek špatný výkon při nízké teplotě. Vývoj nového typu lithné soli je na spadnutí. Tetrafluorboritan lithný má malý poloměr aniontu, snadno se sdružuje a má nižší vodivost než LiPF6, ale má nízký odpor přenosu náboje při nízkých teplotách a má dobrý výkon při nízké teplotě jako sůl elektrolytu.
3 přísady
Fólie SEI má velmi důležitý vliv na výkon baterie při nízké teplotě. Jedná se o iontový vodič a elektronický izolátor a je to kanál, který umožňuje Li + dosáhnout na povrch elektrody z kapalné fáze. Při nízkých teplotách se zvyšuje impedance SEI filmu a rychlost difúze Li + v SEI filmu prudce klesá, což prohlubuje akumulaci nábojů na povrchu elektrody, což má za následek snížení lithia vkládací kapacita grafitu a zvýšení polarizace. Optimalizací složení a podmínek tvorby filmu SEI filmu je zlepšení iontové vodivosti SEI filmu při nízkých teplotách prospěšné pro zlepšení nízkoteplotního výkonu baterie. Proto je vývoj filmotvorných přísad s vynikajícím výkonem při nízkých teplotách aktuálním hotspotem výzkumu.
Stručně řečeno, vodivost a filmotvorná odolnost elektrolytu mají významný vliv na nízkoteplotní výkon lithium-iontových baterií. U nízkoteplotního elektrolytu by měl být komplexně optimalizován ze tří aspektů: systém rozpouštědel elektrolytu, lithná sůl a přísady. Pro rozpouštědlo elektrolytu by měl být zvolen systém rozpouštědel s nízkou teplotou tání, nízkou viskozitou a vysokou dielektrickou konstantou. Lineární karboxylátová rozpouštědla mají vynikající vlastnosti při nízkých teplotách, ale mají větší dopad na výkonnost cyklu a je třeba sladit cyklickou kyselinu uhličitou s vysokou dielektrickou konstantou Míchání esterů, jako je EC a PC; u lithiových solí a přísad je hlavním hlediskem snížení filmotvorné odolnosti a zvýšení rychlosti migrace lithiových iontů. Vhodně rostoucí koncentrace lithné soli při nízkých teplotách může navíc zvýšit vodivost elektrolytu a zvýšit výkon při nízkých teplotách.
3. Anodový materiál
Zhoršení podmínek difúzní kinetiky lithiových iontů v uhlíkových anodových materiálech je hlavním důvodem, který omezuje nízkoteplotní výkon lithium-iontových baterií. Proto je elektrochemická polarizace anody během procesu nabíjení významně zesílena, což snadno vede k vysrážení kovového lithia na povrchu anody.
Výběr vhodného anodového materiálu je klíčovým faktorem pro zlepšení nízkoteplotního výkonu baterie. V současné době se optimalizace nízkoteplotního výkonu provádí hlavně metodami povrchové úpravy anody, povrchového potahování, dopingu ke zvětšení rozestupu vrstev a řízení velikosti částic.
1 Povrchová úprava
Povrchová úprava zahrnuje povrchovou oxidaci a fluoraci. Povrchová úprava může snížit aktivní místa na grafitovém povrchu, snížit nevratnou ztrátu kapacity a může generovat více pórů mikro-nano struktury, což vede k přenosu Li + a snižuje impedanci.
2 Povrchová úprava
Povrchové povlaky, jako je uhlíkový povlak a kovový povlak, mohou nejen zabránit přímému kontaktu mezi zápornou elektrodou a elektrolytem, zlepšit kompatibilitu elektrolytu a záporné elektrody, ale také zvýšit vodivost grafitu, poskytnout více míst pro vložení lithia a vytvořit Nevratné snížení kapacity. Navíc je rozteč vrstev měkkého uhlíku nebo tvrdého uhlíku větší než u grafitu. Potahování vrstvy měkkého uhlíku nebo tvrdého uhlíku na zápornou elektrodu usnadňuje difúzi lithiových iontů a snižuje odpor filmu SEI, čímž zlepšuje výkon baterie při nízké teplotě. Povrchový povlak malého množství Ag zlepšuje vodivost negativního elektrodového materiálu, takže má vynikající elektrochemický výkon při nízkých teplotách.
3 Zvětšete mezery mezi grafitovými vrstvami
Grafitová anoda má malý rozestup mezi vrstvami a rychlost difúze iontů lithia mezi grafitovými vrstvami při nízkých teplotách klesá, což vede ke zvýšené polarizaci. Zavedení B, N, S, K a dalších prvků do procesu přípravy grafitu může upravit strukturu grafitu a zvětšit Mezery mezi vrstvami grafitu zlepšují jeho schopnost uvolňovat / interkalovat lithium. Atomový poloměr P (0,106 ppm) je větší než atomový poloměr C (0,077 ppm). Doping P může zvětšit meziprostor mezi grafity, zvýšit difúzní schopnost lithiových iontů a případně ji zlepšit. Obsah grafitových krystalitů v uhlíkových materiálech. Zavedení K do uhlíkového materiálu vytvoří interkalační sloučeninu KC8. Když se odstraní draslík, zvětší se mezivrstvý rozestup uhlíkového materiálu, což je výhodné pro rychlé vložení lithia, čímž se zlepší výkon baterie při nízkých teplotách.
4 Ovládejte velikost částic záporných elektrod
Čím větší je velikost částic záporné elektrody, tím delší je difúzní dráha lithium-iontového proudu a tím větší je difúzní odpor, což vede ke zvýšené polarizaci koncentrace a špatnému výkonu při nízkých teplotách. Vhodným snížením velikosti částic záporného elektrodového materiálu lze tedy účinně zkrátit migrační vzdálenost lithiových iontů mezi grafitovými vrstvami, snížit difúzní odpor, zvýšit oblast infiltrace elektrolytu a zlepšit výkon baterie při nízkých teplotách. Kromě toho má grafitová záporná elektroda granulovaná jedinou velikostí malé částice vyšší izotropii, může poskytovat více míst pro vložení lithia, snížit polarizaci a může výrazně zlepšit výkon baterie při nízkých teplotách.
Nízkoteplotní výkon lithium-iontových baterií je klíčovým faktorem omezujícím použití lithiových baterií. Jak zlepšit výkonnost lithiových baterií při nízkých teplotách je stále horkým a obtížným bodem současného výzkumu. Ke zlepšení nízkoteplotního výkonu lithiových baterií je třeba vzít v úvahu vliv komplexních faktorů, jako je kladná elektroda, záporná elektroda a elektrolyt v baterii. Optimalizací elektrolytového rozpouštědla, přísad a složení lithné soli se zlepší vodivost elektrolytu a sníží se odolnost proti tvorbě filmu; Materiál elektrody prochází úpravami, jako je dotování, potahování a granulace, aby se optimalizovala struktura materiálu a snížil odpor rozhraní a difúzní odpor Li + v těle aktivního materiálu. Díky celkové optimalizaci bateriového systému se polarizace lithiové baterie při nízkých teplotách sníží a dále se zlepší výkon baterie při nízkých teplotách.