Metoda poprawy wydajności niskotemperaturowego akumulatora litowo-jonowego
Sep 15, 2020
Nadal dyskutowane są główne czynniki powodujące słabą wydajność akumulatorów litowo-jonowych w niskich temperaturach. Główne przyczyny to: lepkość elektrolitu wzrasta w niskich temperaturach, a przewodnictwo maleje; wzrasta rezystancja membrany interfejsu elektrolit / elektroda i rezystancja przenoszenia ładunku; jony litu znajdują się w ciele materiału aktywnego Szybkość migracji w ośrodku spada. W rezultacie polaryzacja elektrody w niskich temperaturach wzrasta, a pojemność ładowania i rozładowania maleje.
Podczas ładowania akumulatorów litowo-jonowych w niskich temperaturach, zwłaszcza podczas ładowania z dużą szybkością w niskiej temperaturze, w elektrodzie ujemnej wystąpi wytrącanie i osadzanie się litu metalicznego. Osadzony metaliczny lit łatwo reaguje nieodwracalnie z elektrolitem i zużywa dużą ilość elektrolitu. Jednocześnie zwiększa się dodatkowo grubość warstwy SEI, co powoduje dalszy wzrost impedancji warstwy powierzchniowej elektrody ujemnej akumulatora, a także ponowne zwiększenie polaryzacji akumulatora, co znacznie uszkodzi działanie w niskich temperaturach, cykl życia i bezpieczeństwo baterii.
Metoda poprawy wydajności akumulatora litowo-jonowego w niskich temperaturach Metoda modyfikacji mająca na celu poprawę działania akumulatora w niskich temperaturach z trzech aspektów: elektrody dodatniej, elektrolitu i elektrody ujemnej.
1. Materiał katody
Główne sposoby poprawy wydajności dyfuzji jonów materiałów katodowych w niskiej temperaturze to:
1 Metoda powlekania powierzchni korpusu materiału aktywnego z materiałami o doskonałej przewodności poprawia przewodność powierzchni rozdziału materiału elektrody dodatniej, zmniejsza impedancję interfejsu, jednocześnie redukując reakcje uboczne materiału elektrody dodatniej i elektrolitu oraz stabilizując strukturę materiału.
2 Korpus materiału jest masowo domieszkowany Mn, Al, Cr, Mg, F i innymi pierwiastkami, a odstępy między warstwami materiału są zwiększone w celu zwiększenia szybkości dyfuzji Li + w ciele, zmniejszenia dyfuzji rezystancji Li + i poprawić działanie baterii w niskich temperaturach.
3 Zmniejsz rozmiar cząstek materiału i skróć ścieżkę migracji Li +. Należy zaznaczyć, że metoda ta zwiększy powierzchnię właściwą materiału i nasili reakcję uboczną z elektrolitem.
2. Elektrolit
Jako ważna część baterii litowo-jonowej elektrolit nie tylko określa szybkość migracji Li + w fazie ciekłej, ale także uczestniczy w tworzeniu filmu SEI, który odgrywa kluczową rolę w film SEI. W niskich temperaturach lepkość elektrolitu wzrasta, przewodnictwo spada, impedancja filmu SEI wzrasta, a kompatybilność z materiałami dodatnimi i ujemnymi pogarsza się, co znacznie pogarsza gęstość energii i wydajność cyklu akumulatora.
Obecnie istnieją dwa sposoby na poprawę wydajności w niskich temperaturach dzięki elektrolitowi:
(1) Poprawić przewodnictwo elektrolitu w niskiej temperaturze poprzez optymalizację składu rozpuszczalnika i użycie nowych soli elektrolitu;
(2) Użyj nowych dodatków, aby poprawić właściwości folii SEI, dzięki czemu będzie ona sprzyjała przewodzeniu Li + w niskich temperaturach.
1 Zoptymalizuj skład rozpuszczalnika
Charakterystyka elektrolitu w niskich temperaturach zależy głównie od jego niskotemperaturowego punktu eutektycznego. Jeśli temperatura topnienia jest zbyt wysoka, elektrolit łatwo krystalizuje w niskich temperaturach, co poważnie wpływa na przewodnictwo elektrolitu. Głównym składnikiem rozpuszczalnikowym elektrolitu jest węglan etylenu (EC), jednak jego temperatura topnienia wynosi 36 ° C, a jego rozpuszczalność w elektrolicie spada lub nawet wytrąca się w niskich temperaturach, co ma większy wpływ na niskotemperaturowe działanie bateria. Dodając składniki o niskiej temperaturze topnienia i niskiej lepkości w celu zmniejszenia zawartości EC rozpuszczalnika, można skutecznie zmniejszyć lepkość i punkt eutektyczny elektrolitu w niskich temperaturach, a także poprawić przewodność elektrolitu.
2 Nowa sól elektrolitowa
Sól elektrolitowa jest jednym z ważnych składników elektrolitu, a także kluczowym czynnikiem dla uzyskania doskonałych parametrów w niskich temperaturach. Obecnie handlową solą elektrolitu jest heksafluorofosforan litu, a utworzona warstwa SEI ma dużą impedancję, co powoduje słabe działanie w niskich temperaturach. Wkrótce powstanie nowy rodzaj soli litowej. Tetrafluoroboran litu ma mały promień anionu, jest łatwy do asocjacji i ma niższą przewodność niż LiPF6, ale ma niski opór przenoszenia ładunku w niskich temperaturach i ma dobre właściwości w niskich temperaturach jako sól elektrolitu.
3 dodatki
Folia SEI ma bardzo istotny wpływ na działanie akumulatora w niskich temperaturach. Jest przewodnikiem jonowym i izolatorem elektronicznym oraz kanałem dla Li +, który dociera do powierzchni elektrody z fazy ciekłej. W niskich temperaturach impedancja filmu SEI wzrasta, a szybkość dyfuzji Li + w filmie SEI gwałtownie spada, co pogłębia gromadzenie się ładunków na powierzchni elektrody, powodując spadek litu zdolność wstawiania grafitu i wzrost polaryzacji. Poprzez optymalizację składu i warunków tworzenia filmu w warstwie SEI, poprawa przewodnictwa jonowego folii SEI w niskich temperaturach jest korzystna dla polepszenia działania baterii w niskich temperaturach. Dlatego też rozwój dodatków błonotwórczych o doskonałych właściwościach w niskich temperaturach jest aktualnym punktem badań.
Podsumowując, przewodnictwo i oporność elektrolitu na tworzenie warstwy mają istotny wpływ na działanie akumulatorów litowo-jonowych w niskich temperaturach. W przypadku elektrolitu niskotemperaturowego należy go kompleksowo zoptymalizować pod kątem trzech aspektów: układu rozpuszczalników elektrolitu, soli litowej i dodatków. W przypadku rozpuszczalnika elektrolitycznego należy wybrać układ rozpuszczalników o niskiej temperaturze topnienia, niskiej lepkości i wysokiej stałej dielektrycznej. Liniowe rozpuszczalniki karboksylanowe mają doskonałe działanie w niskich temperaturach, ale mają większy wpływ na wydajność cyklu i muszą dopasować cykliczny kwas węglowy do wysokiej stałej dielektrycznej. Mieszanie estrów, takich jak EC i PC; w przypadku soli litu i dodatków głównym celem jest zmniejszenie odporności na tworzenie błony i zwiększenie szybkości migracji jonów litu. Ponadto odpowiednie zwiększenie stężenia soli litu w niskich temperaturach może zwiększyć przewodność elektrolitu i zwiększyć wydajność w niskich temperaturach.
3. Materiał anody
Pogorszenie warunków kinetyki dyfuzji jonów litu w materiałach anod węglowych jest główną przyczyną ograniczającą niskotemperaturowe działanie akumulatorów litowo-jonowych. Dlatego polaryzacja elektrochemiczna anody ulega znacznemu nasileniu podczas procesu ładowania, co w łatwy sposób prowadzi do wytrącania się metalicznego litu na powierzchni anody.
Wybór odpowiedniego materiału anodowego ma kluczowe znaczenie dla poprawy działania baterii w niskich temperaturach. Obecnie optymalizacja właściwości niskotemperaturowych odbywa się głównie poprzez metody obróbki powierzchni anody, powlekania powierzchni, domieszkowanie w celu zwiększenia rozstawu warstw oraz kontrolę wielkości cząstek.
1 Obróbka powierzchni
Obróbka powierzchni obejmuje utlenianie powierzchni i fluorowanie. Obróbka powierzchni może zmniejszyć liczbę aktywnych miejsc na powierzchni grafitu, zmniejszyć nieodwracalną utratę pojemności i może wytworzyć więcej mikro-nanostrukturalnych porów, co sprzyja transmisji Li + i zmniejsza impedancję.
2 Powlekanie powierzchni
Powłoki powierzchniowe, takie jak powłoka węglowa i powłoka metaliczna, mogą nie tylko uniknąć bezpośredniego kontaktu między elektrodą ujemną a elektrolitem, poprawić kompatybilność elektrolitu i elektrody ujemnej, ale także zwiększyć przewodność grafitu, zapewnić więcej miejsc wstawiania litu i sprawić, że Nieodwracalne zmniejszenie wydajności. Ponadto odstępy między warstwami miękkiego materiału węglowego lub twardego materiału węglowego są większe niż w przypadku grafitu. Powlekanie warstwy miękkiego węgla lub twardego materiału węglowego na elektrodzie ujemnej ułatwia dyfuzję jonów litu i zmniejsza opór folii SEI, poprawiając tym samym działanie akumulatora w niskich temperaturach. Powłoka powierzchniowa z niewielkiej ilości Ag poprawia przewodność materiału elektrody ujemnej, dzięki czemu ma doskonałe właściwości elektrochemiczne w niskich temperaturach.
3 Zwiększ odstępy między warstwami grafitu
Anoda grafitowa ma mały odstęp międzywarstwowy, a szybkość dyfuzji jonów litu między warstwami grafitu w niskich temperaturach spada, co powoduje zwiększoną polaryzację. Wprowadzenie B, N, S, K i innych pierwiastków w procesie przygotowania grafitu może zmodyfikować strukturę grafitu i zwiększyć. Odstępy międzywarstwowe grafitu poprawiają jego zdolność do uwalniania / interkalacji litu. Promień atomowy P (0,106 pm) jest większy niż promień C (0,077 pm). Domieszkowanie P może zwiększyć odstępy międzywarstwowe grafitu, zwiększyć zdolność do dyfuzji jonów litu i prawdopodobnie ją poprawić. Zawartość krystalitów grafitu w materiałach węglowych. Wprowadzenie K do materiału węglowego spowoduje utworzenie związku interkalacyjnego KC8. Po usunięciu potasu odstępy między warstwami materiału węglowego wzrosną, co jest korzystne dla szybkiego wprowadzania litu, poprawiając w ten sposób działanie akumulatora w niskich temperaturach.
4 Kontroluj wielkość cząstek elektrody ujemnej
Im większy rozmiar cząstek elektrody ujemnej, tym dłuższa droga dyfuzji jonów litu i większy opór dyfuzyjny, co prowadzi do zwiększonej polaryzacji stężenia i słabej wydajności w niskich temperaturach. Dlatego odpowiednie zmniejszenie wielkości cząstek materiału elektrody ujemnej może skutecznie skrócić odległość migracji jonów litu między warstwami grafitu, zmniejszyć opór dyfuzyjny, zwiększyć obszar infiltracji elektrolitu i poprawić działanie akumulatora w niskich temperaturach. Ponadto grafitowa elektroda ujemna granulowana za pomocą pojedynczej cząstki o małej wielkości ma wyższą izotropię, może zapewnić więcej miejsc wprowadzania litu, zmniejszyć polaryzację i może znacznie poprawić działanie akumulatora w niskich temperaturach.
Wydajność akumulatorów litowo-jonowych w niskich temperaturach jest kluczowym czynnikiem ograniczającym stosowanie akumulatorów litowych. Jak poprawić działanie baterii litowych w niskich temperaturach, to wciąż gorący i trudny punkt obecnych badań. Aby poprawić działanie baterii litowych w niskich temperaturach, należy wziąć pod uwagę wpływ kompleksowych czynników, takich jak elektroda dodatnia, elektroda ujemna i elektrolit w baterii. Optymalizacja rozpuszczalnika elektrolitu, dodatków i składu soli litu poprawia przewodnictwo elektrolitu i zmniejsza odporność na tworzenie się błony; Materiał elektrody jest poddawany modyfikacjom, takim jak domieszkowanie, powlekanie i granulacja, aby zoptymalizować strukturę materiału i zmniejszyć opór rozdziału faz i opór dyfuzyjny Li + w korpusie materiału aktywnego. Dzięki ogólnej optymalizacji systemu akumulatorów polaryzacja akumulatora litowego w niskich temperaturach jest zmniejszona, a działanie akumulatora w niskich temperaturach jest dalej poprawiane.