Mengapa kapasitas baterai lithium menurun di musim dingin？

Mengapa kapasitas baterai litium menurun di musim dingin

Menurut laporan, kapasitas pengosongan baterai lithium-ion pada -20 ℃ hanya sekitar 31,5% dari kapasitas pengosongan pada suhu kamar. Baterai lithium-ion tradisional beroperasi pada suhu antara -20~+55 ℃. Namun, pada bidang seperti kendaraan luar angkasa, militer, dan listrik, baterai harus dapat beroperasi secara normal pada suhu -40 ℃. Oleh karena itu, meningkatkan sifat suhu rendah baterai lithium-ion sangatlah penting.

Faktor-faktor yang membatasi kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah

• Di lingkungan bersuhu rendah, viskositas elektrolit meningkat dan bahkan membeku sebagian, menyebabkan penurunan konduktivitas baterai lithium-ion.
• Kompatibilitas antara elektrolit, elektroda negatif, dan pemisah memburuk di lingkungan bersuhu rendah.
• Elektroda negatif baterai litium-ion di lingkungan bersuhu rendah mengalami pengendapan litium yang parah, dan litium logam yang diendapkan bereaksi dengan elektrolit, mengakibatkan pengendapan produknya dan peningkatan ketebalan antarmuka elektrolit padat (SEI).
• Di lingkungan bersuhu rendah, sistem difusi baterai lithium-ion dalam bahan aktif menurun, dan impedansi transfer muatan (Rct) meningkat secara signifikan.

Eksplorasi faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja suhu rendah baterai lithium-ion

Pendapat Ahli 1: Elektrolit memiliki dampak terbesar pada kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah, dan komposisi serta sifat fisikokimia elektrolit memiliki dampak penting pada kinerja baterai pada suhu rendah. Masalah yang dihadapi oleh siklus baterai pada suhu rendah adalah viskositas elektrolit meningkat, kecepatan konduksi ion melambat, dan kecepatan migrasi elektron di sirkuit eksternal tidak sesuai, mengakibatkan polarisasi baterai yang parah dan tajam. penurunan kapasitas pengisian dan pengosongan. Terutama saat mengisi daya pada suhu rendah, ion litium dapat dengan mudah membentuk dendrit litium pada permukaan elektroda negatif, sehingga menyebabkan kegagalan baterai.

Kinerja elektrolit pada suhu rendah berkaitan erat dengan konduktivitasnya sendiri. Elektrolit dengan konduktivitas tinggi mengangkut ion dengan cepat dan dapat mengerahkan kapasitas lebih besar pada suhu rendah. Semakin banyak garam litium yang terdisosiasi dalam elektrolit, semakin banyak migrasi yang terjadi, dan semakin tinggi konduktivitasnya. Semakin tinggi konduktivitas dan semakin cepat laju konduksi ion, semakin kecil polarisasi yang diterima, dan semakin baik kinerja baterai pada suhu rendah. Oleh karena itu, konduktivitas yang lebih tinggi merupakan kondisi yang diperlukan untuk mencapai kinerja baterai lithium-ion yang baik pada suhu rendah.

Konduktivitas suatu elektrolit berkaitan dengan komposisinya, dan mengurangi viskositas pelarut adalah salah satu cara untuk meningkatkan konduktivitas elektrolit. Fluiditas pelarut yang baik pada suhu rendah merupakan jaminan transpor ion, dan lapisan elektrolit padat yang dibentuk oleh elektrolit pada elektroda negatif pada suhu rendah juga merupakan faktor kunci yang mempengaruhi konduksi ion litium, dan RSEI adalah impedansi utama litium- baterai ion di lingkungan bersuhu rendah.

Pakar 2: Faktor utama yang membatasi kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah adalah impedansi difusi Li+ yang meningkat pesat pada suhu rendah, bukan pada membran SEI.

Karakteristik suhu rendah dari bahan elektroda positif untuk baterai lithium-ion

1. Karakteristik suhu rendah dari bahan elektroda positif berlapis

Struktur berlapis, dengan kinerja laju yang tak tertandingi dibandingkan saluran difusi lithium-ion satu dimensi dan stabilitas struktural saluran tiga dimensi, adalah bahan elektroda positif paling awal yang tersedia secara komersial untuk baterai lithium-ion. Zat perwakilannya meliputi LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2, dan Li (Ni, Co, Mn) O2.

Xie Xiaohua dkk. mempelajari LiCoO2/MCMB dan menguji karakteristik pengisian dan pengosongan suhu rendah.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa seiring dengan penurunan suhu, dataran tinggi debit menurun dari 3,762V (0 ℃) menjadi 3,207V (-30 ℃); Total kapasitas baterai juga menurun tajam dari 78,98mA · jam (0 ℃) menjadi 68,55mA · jam (-30 ℃).

2. Karakteristik suhu rendah bahan katoda berstruktur spinel

Bahan katoda LiMn2O4 berstruktur spinel memiliki keunggulan yaitu biaya rendah dan tidak beracun karena tidak adanya unsur Co.

Namun, keadaan valensi variabel Mn dan efek Jahn Teller dari Mn3+ mengakibatkan ketidakstabilan struktural dan reversibilitas yang buruk dari komponen ini.

Peng Zhengshun dkk. menunjukkan bahwa metode preparasi yang berbeda berdampak besar pada kinerja elektrokimia bahan katoda LiMn2O4. Ambil Rct sebagai contoh: Rct LiMn2O4 yang disintesis dengan metode fase padat suhu tinggi secara signifikan lebih tinggi daripada yang disintesis dengan metode sol gel, dan fenomena ini juga tercermin dalam koefisien difusi ion litium. Alasan utamanya adalah metode sintesis yang berbeda mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kristalinitas dan morfologi produk.

3. Karakteristik suhu rendah bahan katoda sistem fosfat

LiFePO4, bersama dengan bahan terner, telah menjadi bahan elektroda positif utama untuk baterai daya karena stabilitas volume dan keamanannya yang sangat baik. Kinerja suhu rendah yang buruk dari litium besi fosfat terutama disebabkan oleh bahannya yang merupakan isolator, konduktivitas elektronik yang rendah, difusi ion litium yang buruk, dan konduktivitas yang buruk pada suhu rendah, yang meningkatkan resistansi internal baterai dan sangat dipengaruhi oleh polarisasi. , menghambat pengisian dan pengosongan baterai, sehingga menghasilkan kinerja suhu rendah yang tidak memuaskan.

Saat mempelajari perilaku pengisian dan pengosongan LiFePO4 pada suhu rendah, Gu Yijie et al. menemukan bahwa efisiensi Coulombnya masing-masing menurun dari 100% pada 55 ℃ menjadi 96% pada 0 ℃ dan 64% pada -20 ℃; Tegangan pelepasan berkurang dari 3,11V pada 55 ℃ menjadi 2,62V pada -20 ℃.

Xing dkk. memodifikasi LiFePO4 menggunakan nanokarbon dan menemukan bahwa penambahan bahan konduktif nanokarbon mengurangi sensitivitas kinerja elektrokimia LiFePO4 terhadap suhu dan meningkatkan kinerja suhu rendahnya; Tegangan pelepasan LiFePO4 yang dimodifikasi menurun dari 3,40V pada 25℃ menjadi 3,09V pada -25℃, dengan penurunan hanya 9,12%; Dan efisiensi baterainya adalah 57,3% pada -25 ℃, lebih tinggi dari 53,4% tanpa bahan konduktif nanokarbon.

Baru-baru ini, LiMnPO4 telah membangkitkan minat yang kuat di kalangan masyarakat. Penelitian menemukan bahwa LiMnPO4 memiliki keunggulan seperti potensi tinggi (4.1V), tidak menimbulkan polusi, harga murah, dan kapasitas spesifik besar (170mAh/g). Namun, karena konduktivitas ionik LiMnPO4 yang lebih rendah dibandingkan LiFePO4, dalam praktiknya Fe sering digunakan untuk menggantikan sebagian Mn untuk membentuk larutan padat LiMn0.8Fe0.2PO4.

Karakteristik suhu rendah dari bahan elektroda negatif untuk baterai lithium-ion

Dibandingkan dengan bahan elektroda positif, fenomena degradasi suhu rendah bahan elektroda negatif pada baterai lithium-ion lebih parah, terutama karena tiga alasan berikut:

• Selama pengisian dan pengosongan suhu rendah dengan kecepatan tinggi, polarisasi baterai sangat parah, dan sejumlah besar endapan logam litium pada permukaan elektroda negatif, dan produk reaksi antara logam litium dan elektrolit umumnya tidak memiliki konduktivitas;
• Dari perspektif termodinamika, elektrolit mengandung sejumlah besar gugus polar seperti C-O dan C-N, yang dapat bereaksi dengan bahan elektroda negatif, menghasilkan film SEI yang lebih rentan terhadap pengaruh suhu rendah;
• Sulit untuk menanamkan litium dalam elektroda karbon negatif pada suhu rendah, sehingga mengakibatkan pengisian dan pengosongan yang asimetris.

Penelitian Elektrolit Suhu Rendah

Elektrolit berperan dalam mentransmisikan Li+ dalam baterai lithium-ion, dan konduktivitas ion serta kinerja pembentukan film SEI memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kinerja baterai pada suhu rendah. Ada tiga indikator utama untuk menilai kualitas elektrolit suhu rendah: konduktivitas ion, jendela elektrokimia, dan aktivitas reaksi elektroda. Kadar ketiga indikator ini sangat bergantung pada bahan penyusunnya: pelarut, elektrolit (garam litium), dan zat aditif. Oleh karena itu, studi tentang kinerja suhu rendah dari berbagai bagian elektrolit sangat penting untuk memahami dan meningkatkan kinerja baterai pada suhu rendah.

• Dibandingkan dengan karbonat rantai, elektrolit berbasis EC memiliki struktur kompak, gaya interaksi tinggi, serta titik leleh dan viskositas lebih tinggi. Namun, polaritas besar yang dibawa oleh struktur melingkar seringkali menghasilkan konstanta dielektrik yang tinggi. Konstanta dielektrik yang tinggi, konduktivitas ionik yang tinggi, dan kinerja pembentukan film yang sangat baik dari pelarut EC secara efektif mencegah penyisipan bersama molekul pelarut, menjadikannya sangat diperlukan. Oleh karena itu, sistem elektrolit suhu rendah yang paling umum digunakan didasarkan pada EC dan dicampur dengan pelarut molekul kecil dengan titik leleh rendah.
• Garam litium adalah komponen penting elektrolit. Garam litium dalam elektrolit tidak hanya dapat meningkatkan konduktivitas ionik larutan, tetapi juga mengurangi jarak difusi Li+ dalam larutan. Secara umum, semakin tinggi konsentrasi Li+ dalam suatu larutan, semakin tinggi pula konduktivitas ionnya. Namun, konsentrasi ion litium dalam elektrolit tidak berkorelasi linier dengan konsentrasi garam litium, melainkan berbentuk parabola. Hal ini karena konsentrasi ion litium dalam pelarut bergantung pada kekuatan disosiasi dan asosiasi garam litium dalam pelarut.

Selain komposisi baterai itu sendiri, faktor proses dalam pengoperasian praktis juga dapat berdampak signifikan terhadap kinerja baterai.

(1) Proses persiapan. Yaqub dkk. mempelajari pengaruh beban elektroda dan ketebalan lapisan pada kinerja suhu rendah baterai LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Grafit dan menemukan bahwa dalam hal retensi kapasitas, semakin kecil beban elektroda dan semakin tipis lapisan lapisan, semakin baik kualitasnya. kinerja suhu rendah.

(2) Status pengisian dan pengosongan. Petzl dkk. mempelajari pengaruh kondisi pengisian dan pengosongan suhu rendah pada siklus hidup baterai dan menemukan bahwa ketika kedalaman pengosongan besar, hal itu akan menyebabkan hilangnya kapasitas yang signifikan dan mengurangi masa pakai baterai.

(3) Faktor lain. Luas permukaan, ukuran pori, kepadatan elektroda, keterbasahan antara elektroda dan elektrolit, dan pemisah semuanya mempengaruhi kinerja suhu rendah baterai lithium-ion. Selain itu, dampak cacat material dan proses terhadap kinerja baterai pada suhu rendah tidak dapat diabaikan.

Smenyelesaikan

Untuk memastikan kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah, hal-hal berikut perlu dilakukan dengan baik:

(1) Membentuk film SEI yang tipis dan padat;

(2) Memastikan Li+ memiliki koefisien difusi yang tinggi dalam zat aktif;

(3) Elektrolit memiliki konduktivitas ionik yang tinggi pada suhu rendah.

Selain itu, penelitian dapat mengambil pendekatan berbeda dan fokus pada jenis baterai lithium-ion lain – semua baterai lithium-ion solid state. Dibandingkan dengan baterai lithium-ion konvensional, semua baterai lithium-ion solid-state, terutama semua baterai lithium-ion film tipis solid-state, diharapkan dapat sepenuhnya mengatasi masalah penurunan kapasitas dan keamanan siklus baterai yang digunakan pada suhu rendah.