Metoda poboljšanja performansi litij-ionske baterije na niskim temperaturama

Još uvijek se raspravlja o glavnim čimbenicima loših performansi litij-ionskih baterija na niskim temperaturama. Glavni razlozi su: viskoznost elektrolita raste pri niskim temperaturama, a vodljivost se smanjuje; povećanje otpora membrane i otpora prijenosa naboja na sučelju elektrolit / elektroda; litij-ioni su u tijelu aktivnog materijala. Stopa migracije u mediju se smanjuje. Kao rezultat, polarizacija elektrode pri niskim temperaturama se povećava, a kapacitet punjenja i pražnjenja smanjuje.

Tijekom punjenja litij-ionskih baterija pri niskim temperaturama, posebno tijekom punjenja s visokim brzinama pri niskim temperaturama, doći će do taloženja i taloženja litijevih metala u negativnoj elektrodi. Taloženi metalni litij lako je nepovratno reagirati s elektrolitom i troši veliku količinu elektrolita. Istodobno, debljina SEI filma dodatno se povećava, što rezultira impedancijom površine negativne elektrode na filmu baterije, a opet se povećava polarizacija baterije, što će uvelike oštetiti performanse pri niskim temperaturama, životni vijek ciklusa i sigurnosne performanse baterije.

Metoda poboljšanja performansi litij-ionske baterije pri niskim temperaturama Metoda modifikacije za poboljšanje performansi baterije pri niskim temperaturama iz tri aspekta: pozitivna elektroda, elektrolit i negativna elektroda.

1. Katodni materijal

Uobičajeni načini poboljšanja performansi ionske difuzije katodnih materijala pri niskim temperaturama su:

1 Metoda površinskog premazivanja tijela aktivnog materijala s izvrsnim vodljivim materijalima poboljšava vodljivost sučelja materijala pozitivne elektrode, smanjuje impedansu sučelja, istodobno smanjujući bočne reakcije materijala pozitivne elektrode i elektrolita te stabilizirajući strukturu materijala.

2 Tijelo materijala dopira se u rasutom stanju Mn, Al, Cr, Mg, F i drugim elementima, a razmak slojeva materijala povećava se kako bi se povećala brzina difuzije Li + u tijelu, smanjila difuzija otpor Li + i poboljšati performanse baterije na niskim temperaturama.

3 Smanjite veličinu čestica materijala i skratite put migracije Li +. Treba istaknuti da će ova metoda povećati specifičnu površinu materijala i povećati sporednu reakciju s elektrolitom.

2. Elektrolit

Kao važan dio litij-ionske baterije, elektrolit ne samo da određuje stopu migracije Li + u tekućoj fazi, već i sudjeluje u stvaranju SEI filma, koji igra ključnu ulogu u izvođenju film SEI. Na niskim temperaturama viskoznost elektrolita raste, vodljivost se smanjuje, impedancija SEI filma povećava se, a kompatibilnost s pozitivnim i negativnim materijalima pogoršava, što uvelike pogoršava gustoću energije i performanse ciklusa baterije.

Trenutno postoje dva načina za poboljšanje performansi niskih temperatura pomoću elektrolita:

(1) poboljšati vodljivost elektrolita pri niskim temperaturama optimiziranjem sastava otapala i upotrebom novih soli elektrolita;

(2) Koristite nove aditive za poboljšanje svojstava SEI filma, čineći ga povoljnim za provođenje Li + na niskim temperaturama.

1 Optimizirajte sastav otapala

Učinak elektrolita na niskim temperaturama uglavnom je određen njegovom eutektičkom točkom na niskoj temperaturi. Ako je talište previsoko, elektrolit se lako kristalizira na niskim temperaturama, što će ozbiljno utjecati na vodljivost elektrolita. Etilen karbonat (EC) glavna je komponenta otapala elektrolita, ali njegova temperatura topljenja je 36 ° C, a njegova topljivost u elektrolitu smanjuje se ili čak taloži na niskim temperaturama, što ima veći utjecaj na niskotemperaturne performanse baterija. Dodavanjem komponenata s niskom točkom topljenja i niske viskoznosti za smanjenje sadržaja otapala EC, viskoznost i eutektička točka elektrolita pri niskim temperaturama mogu se učinkovito smanjiti, a vodljivost elektrolita može se poboljšati.

2 Nova sol elektrolita

Sol elektrolita jedna je od važnih komponenti elektrolita, a također je ključni faktor za postizanje izvrsnih performansi na niskim temperaturama. Trenutno je komercijalna sol elektrolita litij heksafluorofosfat, a formirani SEI film ima veliku impedansu, što rezultira lošim performansama na niskim temperaturama. Predstoji razvoj nove vrste litijeve soli. Litij tetrafluoroborat ima mali radijus aniona, lako ga je povezati i ima nižu vodljivost od LiPF6, ali ima mali otpor prijenosa naboja pri niskim temperaturama i dobre performanse niske temperature kao sol elektrolita.

3 aditiva

SEI film ima vrlo važan učinak na performanse baterije pri niskim temperaturama. To je ionski vodič i elektronički izolator, te je kanal za Li + koji dolazi do površine elektrode iz tekuće faze. Pri niskim temperaturama impedancija SEI filma raste, a brzina difuzije Li + u SEI filmu naglo opada, što produbljuje nakupljanje naboja na površini elektrode, što rezultira smanjenjem litija kapacitet umetanja grafita i povećanje polarizacije. Optimizacijom sastava i uvjetima stvaranja filma SEI filma, poboljšanje ionske vodljivosti SEI filma pri niskim temperaturama korisno je za poboljšanje performansi baterije na niskim temperaturama. Stoga je razvoj aditiva za stvaranje filma s izvrsnim performansama na niskim temperaturama trenutno aktualno žarište.

Ukratko, vodljivost i otpor elektrolita na stvaranje filma imaju važan utjecaj na performanse litij-ionskih baterija pri niskim temperaturama. Za niskotemperaturni elektrolit treba ga sveobuhvatno optimizirati s tri aspekta: sustav otapala elektrolita, litijeva sol i aditivi. Za otapalo elektrolita treba odabrati sustav otapala s niskom točkom topljenja, malom viskoznošću i velikom dielektričnom konstantom. Linearna karboksilatna otapala imaju izvrsne performanse na niskim temperaturama, ali imaju veći utjecaj na performanse ciklusa i moraju uskladiti cikličku ugljičnu kiselinu s visokom dielektričnom konstantom Smjesa estera kao što su EC i PC; za litijeve soli i aditive, glavna je pažnja smanjiti otpornost na stvaranje filma i povećati stopu migracije litijevih iona. Uz to, odgovarajuće povećanje koncentracije litijeve soli na niskim temperaturama može povećati vodljivost elektrolita i povećati performanse na niskim temperaturama.

3. Anodni materijal

Pogoršanje uvjeta kinetike difuzije litijevih iona u ugljičnim anodnim materijalima glavni je razlog koji ograničava performanse litij-ionskih baterija pri niskim temperaturama. Stoga se elektrokemijska polarizacija anode značajno pojačava tijekom postupka punjenja, što lako dovodi do taloženja metalnog litija na površini anode.

Odabir prikladnog anodnog materijala ključni je čimbenik za poboljšanje performansi baterije na niskim temperaturama. Trenutno se optimizacija performansi pri niskim temperaturama uglavnom provodi metodama površinske obrade anode, površinskim premazom, dopingom za povećanje razmaka slojeva i kontrolom veličine čestica.

1 Obrada površine

Obrada površine uključuje površinsku oksidaciju i fluoriranje. Površinska obrada može smanjiti aktivna mjesta na površini grafita, smanjiti nepovratan gubitak kapaciteta i može generirati više pora mikro-nano strukture, što pogoduje prijenosu Li + i smanjuje impedansu.

2 Površinski premaz

Površinske prevlake poput ugljične prevlake i metalne prevlake mogu ne samo izbjeći izravni kontakt između negativne elektrode i elektrolita, poboljšati kompatibilnost elektrolita i negativne elektrode, već i povećati vodljivost grafita, osigurati više mjesta za umetanje litija i napraviti Nepovratno smanjenje kapaciteta. Uz to, razmak slojeva mekog i tvrdog ugljičnog materijala veći je od grafita. Prevlačenje sloja mekog ugljika ili tvrdog ugljičnog materijala na negativnu elektrodu olakšava difuziju litijevih iona i smanjuje otpor SEI filma, poboljšavajući time performanse baterije pri niskim temperaturama. Površinska obloga male količine Ag poboljšava vodljivost materijala negativne elektrode, čineći ga izvrsnim elektrokemijskim svojstvima pri niskim temperaturama.

3 Povećajte razmak između slojeva grafita

Grafitna anoda ima mali međuslojni razmak, a brzina difuzije litijevih iona između slojeva grafita pri niskim temperaturama opada, što rezultira povećanom polarizacijom. Uvođenje B, N, S, K i drugih elemenata u postupak pripreme grafita može izmijeniti strukturu grafita i povećati Međuproslojni razmak grafita poboljšava njegovu sposobnost oslobađanja / interkalacije litija. Atomski radijus P (0,06 pm) veći je od radijusa C (0,077 pm). P doping može povećati međuslojni razmak grafita, poboljšati difuzijsku sposobnost litijevih iona i možda je poboljšati. Sadržaj kristalita grafita u ugljičnim materijalima. Uvođenjem K u ugljični materijal stvorit će se spoj za interkalizaciju KC8. Kada se kalij ukloni, međuslojni razmak ugljikovog materijala povećat će se, što je korisno za brzo umetanje litija, poboljšavajući time performanse baterije pri niskim temperaturama.

4 Kontrolirajte veličinu čestica negativne elektrode

Što je veća veličina čestica negativne elektrode, to je duži put difuzije litijevih iona i veći difuzioni otpor, što dovodi do povećane polarizacije koncentracije i loših performansi na niskim temperaturama. Stoga odgovarajuće smanjenje veličine čestica materijala negativne elektrode može učinkovito skratiti udaljenost migracije litijevih iona između slojeva grafita, smanjiti otpor difuzije, povećati područje infiltracije elektrolita i poboljšati performanse baterije na niskim temperaturama. Uz to, grafitna negativna elektroda granulirana malom veličinom jedne čestice ima veću izotropnost, može osigurati više mjesta za umetanje litija, smanjiti polarizaciju i može značajno poboljšati performanse baterije na niskim temperaturama.

Učinak litij-ionskih baterija na niskim temperaturama ključni je čimbenik koji ograničava primjenu litij-baterija. Kako poboljšati performanse litijevih baterija na niskim temperaturama i dalje je vruća i teška točka trenutnih istraživanja. Da bi se poboljšale performanse litijevih baterija pri niskim temperaturama, treba razmotriti utjecaj sveobuhvatnih čimbenika kao što su pozitivna elektroda, negativna elektroda i elektrolit u bateriji. Optimizacijom otapala elektrolita, aditiva i sastava litijeve soli poboljšava se vodljivost elektrolita i smanjuje otpor stvaranju filma; Materijal elektrode podvrgava se modifikacijskim postupcima kao što su doping, oblaganje i granulacija radi optimizacije strukture materijala i smanjenja otpora na sučelju i otpornosti difuzije Li + u tijelu aktivnog materijala. Sveukupnom optimizacijom sustava baterija smanjuje se polarizacija litijeve baterije na niskim temperaturama, a performanse baterije na niskim temperaturama dodatno se poboljšavaju.