हिवाळ्यात लिथियम बॅटरीची क्षमता का कमी होते? शेवटी, कोणीतरी स्पष्ट करू शकेल!

हिवाळ्यात लिथियम बॅटरीची क्षमता का कमी होते? शेवटी, कोणीतरी स्पष्ट करू शकेल!

बाजारात प्रवेश केल्यापासून, लिथियम-आयन बॅटऱ्या त्यांच्या फायद्यांमुळे मोठ्या प्रमाणावर वापरल्या जात आहेत जसे की दीर्घ आयुष्य, मोठी विशिष्ट क्षमता आणि स्मरणशक्तीचा प्रभाव नाही. कमी तापमानात वापरल्या जाणाऱ्या लिथियम आयन बॅटरीमध्ये कमी क्षमता, तीव्र क्षीणता, खराब सायकलिंग कामगिरी, स्पष्ट लिथियम उत्क्रांती आणि असमतोल लिथियम काढणे आणि अंतर्भूत करणे यासारख्या समस्या असतात. तथापि, ऍप्लिकेशन फील्डच्या सतत विस्ताराने, लिथियम-आयन बॅटरीच्या खराब कमी-तापमान कार्यक्षमतेमुळे निर्माण होणारे अडथळे अधिकाधिक स्पष्ट होत आहेत.

अहवालानुसार, लिथियम-आयन बॅटरीची -20 डिग्री सेल्सियसची डिस्चार्ज क्षमता खोलीच्या तापमानाच्या फक्त 31.5% आहे. पारंपारिक लिथियम-आयन बॅटरी -20~+55 ℃ दरम्यानच्या तापमानात काम करतात. तथापि, एरोस्पेस, लष्करी आणि इलेक्ट्रिक वाहने यांसारख्या क्षेत्रात, बॅटरी सामान्यपणे -40 ℃ तापमानात ऑपरेट करणे आवश्यक आहे. म्हणून, लिथियम-आयन बॅटरीचे कमी-तापमान गुणधर्म सुधारणे खूप महत्वाचे आहे.

लिथियम-आयन बॅटरीचे कमी-तापमान कार्यप्रदर्शन प्रतिबंधित करणारे घटक

• कमी तापमानाच्या वातावरणात, इलेक्ट्रोलाइटची चिकटपणा वाढतो आणि अगदी अंशतः घट्ट होतो, ज्यामुळे लिथियम-आयन बॅटरीची चालकता कमी होते.
• इलेक्ट्रोलाइट, नकारात्मक इलेक्ट्रोड आणि विभाजक यांच्यातील सुसंगतता कमी तापमानाच्या वातावरणात बिघडते.
• कमी तापमानाच्या परिस्थितीत, लिथियम-आयन बॅटरीच्या नकारात्मक इलेक्ट्रोडला तीव्र लिथियम पर्जन्याचा अनुभव येतो आणि अवक्षेपित धातू लिथियम इलेक्ट्रोलाइटसह प्रतिक्रिया देते, परिणामी घन-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस (SEI) ची जाडी वाढवणारी उत्पादने जमा होतात.
• कमी-तापमानाच्या वातावरणात, लिथियम-आयन बॅटरीच्या सक्रिय सामग्रीमधील प्रसार प्रणाली कमी होते आणि चार्ज ट्रान्सफर प्रतिबाधा (Rct) लक्षणीय वाढते.

लिथियम-आयन बॅटरीच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेवर परिणाम करणाऱ्या घटकांवर चर्चा

तज्ञांचा दृष्टिकोन 1: इलेक्ट्रोलाइटचा लिथियम-आयन बॅटरीच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेवर सर्वात जास्त प्रभाव पडतो आणि इलेक्ट्रोलाइटची रचना आणि भौतिक-रासायनिक गुणधर्मांचा बॅटरीच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेवर महत्त्वपूर्ण प्रभाव पडतो. कमी तापमानात बॅटरीच्या सायकल चालवताना येणारी समस्या अशी आहे की इलेक्ट्रोलाइटची चिकटपणा वाढेल, आयन वहन गती कमी होईल, ज्यामुळे बाह्य सर्किटच्या इलेक्ट्रॉन स्थलांतर गतीमध्ये विसंगती निर्माण होईल, परिणामी बॅटरीचे तीव्र ध्रुवीकरण होईल आणि चार्ज डिस्चार्ज क्षमतेत तीव्र घट. विशेषतः कमी तापमानात चार्जिंग करताना, लिथियम आयन सहजपणे नकारात्मक इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावर लिथियम डेंड्राइट्स तयार करू शकतात, ज्यामुळे बॅटरी अपयशी ठरते.

इलेक्ट्रोलाइट्सची कमी-तापमान कामगिरी इलेक्ट्रोलाइटच्या चालकतेशी जवळून संबंधित आहे. उच्च चालकता असलेले इलेक्ट्रोलाइट्स त्वरीत वाहतूक आयन करतात आणि कमी तापमानात अधिक क्षमतेचा वापर करू शकतात. इलेक्ट्रोलाइटमधील लिथियम क्षार जितके जास्त विलग होतात तितके ते स्थलांतरित होतात आणि त्यांची चालकता जास्त असते. चालकता जितकी जास्त आणि आयन वहन दर जितका जलद असेल तितके लहान ध्रुवीकरण आणि कमी तापमानात बॅटरीची कार्यक्षमता तितकी चांगली. म्हणून, लिथियम-आयन बॅटरीची कमी-तापमानाची चांगली कामगिरी साध्य करण्यासाठी उच्च चालकता ही एक आवश्यक अट आहे.

इलेक्ट्रोलाइटची चालकता त्याच्या संरचनेशी संबंधित आहे आणि सॉल्व्हेंटची चिकटपणा कमी करणे हा इलेक्ट्रोलाइटची चालकता सुधारण्याचा एक मार्ग आहे. कमी तापमानात सॉल्व्हेंट्सची चांगली प्रवाहक्षमता ही आयन वाहतुकीची हमी आहे आणि कमी तापमानात नकारात्मक इलेक्ट्रोडवर इलेक्ट्रोलाइटद्वारे तयार होणारी घन इलेक्ट्रोलाइट फिल्म देखील लिथियम आयन वहन प्रभावित करणारा एक महत्त्वाचा घटक आहे आणि RSEI हा लिथियमचा मुख्य अडथळा आहे. कमी-तापमान वातावरणात आयन बॅटरी.

तज्ञ 2: लिथियम-आयन बॅटरीच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेवर मर्यादा घालणारा मुख्य घटक म्हणजे SEI झिल्लीपेक्षा कमी तापमानात झपाट्याने वाढणारा Li+ प्रसार प्रतिबाधा.

लिथियम-आयन बॅटरीसाठी सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीची कमी तापमान वैशिष्ट्ये

1. स्तरित सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीची कमी तापमान वैशिष्ट्ये

एक-आयामी लिथियम-आयन प्रसार चॅनेल आणि त्रि-आयामी चॅनेलच्या संरचनात्मक स्थिरतेच्या तुलनेत अतुलनीय दर कामगिरीसह स्तरित रचना, लिथियम-आयन बॅटरीसाठी सर्वात जुनी व्यावसायिकरित्या उपलब्ध कॅथोड सामग्री आहे. त्याच्या प्रतिनिधी पदार्थांमध्ये LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2 आणि Li (Ni, Co, Mn) O2 यांचा समावेश होतो.
Xie Xiaohua et al. संशोधन ऑब्जेक्ट म्हणून LiCoO2/MCMB च्या कमी-तापमान चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग वैशिष्ट्यांची चाचणी केली.
परिणाम दर्शवितात की जसजसे तापमान कमी होते, डिस्चार्ज पठार 3.762V (0 ℃) वरून 3.207V (-30 ℃) पर्यंत कमी होते; एकूण बॅटरी क्षमता देखील 78.98mA · h (0 ℃) वरून 68.55mA · h (-30 ℃) पर्यंत कमी झाली आहे.

2. स्पिनल संरचना सकारात्मक इलेक्ट्रोड साहित्य कमी तापमान वैशिष्ट्ये

स्पिनल संरचित LiMn2O4 कॅथोड सामग्रीमध्ये Co घटक नसल्यामुळे कमी किमतीचे आणि गैर-विषारीपणाचे फायदे आहेत.
तथापि, Mn ची व्हेरिएबल व्हॅलेन्स स्थिती आणि Mn3+ च्या जाह्न टेलर प्रभावामुळे संरचनात्मक अस्थिरता आणि या घटकाची खराब उलटता येते.
पेंग झेंगशुन इत्यादी. वेगवेगळ्या तयारी पद्धतींचा LiMn2O4 कॅथोड मटेरियलच्या इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यक्षमतेवर मोठा प्रभाव पडतो. उदाहरण म्हणून Rct घ्या: उच्च-तापमान सॉलिड फेज पद्धतीद्वारे संश्लेषित LiMn2O4 चे Rct सोल जेल पद्धतीने संश्लेषित केलेल्या पेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त आहे आणि ही घटना लिथियम आयन प्रसार गुणांकामध्ये देखील दिसून येते. याचे मुख्य कारण म्हणजे विविध संश्लेषण पद्धतींचा उत्पादनांच्या स्फटिकता आणि आकारविज्ञानावर महत्त्वपूर्ण प्रभाव पडतो.

3. फॉस्फेट प्रणाली सकारात्मक इलेक्ट्रोड साहित्य कमी तापमान वैशिष्ट्ये

LiFePO4, टर्नरी सामग्रीसह, त्याच्या उत्कृष्ट व्हॉल्यूम स्थिरता आणि सुरक्षिततेमुळे पॉवर बॅटरीसाठी मुख्य कॅथोड सामग्री बनली आहे. लिथियम आयर्न फॉस्फेटची खराब कमी तापमान कामगिरी मुख्यत्वे कारण आहे की त्याची सामग्री स्वतः एक इन्सुलेटर आहे, कमी इलेक्ट्रॉनिक चालकता, खराब लिथियम आयन प्रसार आणि कमी तापमानात खराब चालकता, ज्यामुळे बॅटरीचा अंतर्गत प्रतिकार वाढतो, ध्रुवीकरणावर मोठ्या प्रमाणात परिणाम होतो. आणि बॅटरी चार्ज आणि डिस्चार्ज मध्ये अडथळा आणते. म्हणून, कमी तापमान कामगिरी आदर्श नाही.
गु यिजी वगैरे. कमी तापमानात चार्ज डिस्चार्ज वर्तनाचा अभ्यास करताना, LiFePO4 ची कुलॉम्बिक कार्यक्षमता 55 ℃ वर 100% वरून 0 ℃ आणि -20 ℃ वर 64% वर अनुक्रमे 96% वरून कमी झाली आहे; डिस्चार्ज व्होल्टेज 55 ℃ वर 3.11V वरून -20 ℃ वर 2.62V पर्यंत कमी होते.
झिंग वगैरे. LiFePO4 सुधारण्यासाठी नॅनो कार्बनचा वापर केला आणि आढळले की नॅनो कार्बन कंडक्टिव एजंट जोडल्याने LiFePO4 च्या इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यक्षमतेची तापमानात संवेदनशीलता कमी झाली आणि कमी-तापमानाची कार्यक्षमता सुधारली; सुधारित LiFePO4 चे डिस्चार्ज व्होल्टेज 3.40V वरून 25 ℃ वर 3.09V वरून -25 ℃ वर कमी झाले, फक्त 9.12% कमी झाले; आणि त्याची बॅटरी कार्यक्षमता -25 ℃ वर 57.3% आहे, नॅनो कार्बन प्रवाहकीय घटकांशिवाय 53.4% ​​पेक्षा जास्त आहे.
अलीकडे, LiMnPO4 ने लोकांमध्ये तीव्र आस्था निर्माण केली आहे. संशोधनात असे आढळून आले आहे की LiMnPO4 चे फायदे आहेत जसे की उच्च क्षमता (4.1V), प्रदूषण नाही, कमी किंमत आणि मोठी विशिष्ट क्षमता (170mAh/g). तथापि, LiMnPO4 ची LiFePO4 पेक्षा कमी आयनिक चालकता असल्यामुळे, याचा उपयोग सहसा Mn च्या जागी Fe ने अंशतः LiMn0.8Fe0.2PO4 सॉलिड सोल्यूशन तयार करण्यासाठी केला जातो.

लिथियम-आयन बॅटरीसाठी नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीची कमी तापमान वैशिष्ट्ये

सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीच्या तुलनेत, लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीचे कमी-तापमान खराब होणे अधिक गंभीर आहे, मुख्यतः खालील तीन कारणांमुळे:

• कमी तापमान आणि उच्च दर चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग दरम्यान, बॅटरीचे ध्रुवीकरण तीव्र होते आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड पृष्ठभागावर मोठ्या प्रमाणात लिथियम धातू जमा होते आणि लिथियम धातू आणि इलेक्ट्रोलाइट यांच्यातील प्रतिक्रिया उत्पादनांमध्ये सामान्यतः चालकता नसते;
• थर्मोडायनामिक दृष्टीकोनातून, इलेक्ट्रोलाइटमध्ये मोठ्या संख्येने ध्रुवीय गट असतात जसे की C-O आणि C-N, जे नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीसह प्रतिक्रिया देऊ शकतात, परिणामी SEI चित्रपट कमी तापमानास अधिक संवेदनाक्षम असतात;
• कमी तापमानात कार्बन नकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये लिथियम एम्बेड करणे कठीण आहे, परिणामी असममित चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग होते.

कमी तापमानाच्या इलेक्ट्रोलाइट्सवर संशोधन

लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये Li+ प्रसारित करण्यात इलेक्ट्रोलाइट भूमिका बजावते आणि त्याची आयन चालकता आणि SEI फिल्म तयार करण्याच्या कामगिरीचा बॅटरीच्या कमी-तापमानाच्या कार्यक्षमतेवर महत्त्वपूर्ण प्रभाव पडतो. कमी-तापमान इलेक्ट्रोलाइटच्या गुणवत्तेचे मूल्यांकन करण्यासाठी तीन मुख्य निर्देशक आहेत: आयन चालकता, इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो आणि इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया क्रियाकलाप. या तीन निर्देशकांची पातळी मुख्यत्वे त्यांच्या घटक सामग्रीवर अवलंबून असते: सॉल्व्हेंट्स, इलेक्ट्रोलाइट्स (लिथियम लवण) आणि ऍडिटीव्ह. म्हणून, इलेक्ट्रोलाइटच्या विविध भागांच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेचा अभ्यास बॅटरीच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेला समजून घेण्यासाठी आणि सुधारण्यासाठी खूप महत्त्वाचा आहे.

• साखळी कार्बोनेटच्या तुलनेत, EC आधारित इलेक्ट्रोलाइट्समध्ये कॉम्पॅक्ट रचना, उच्च शक्ती आणि उच्च वितळण्याचा बिंदू आणि चिकटपणा असतो. तथापि, वर्तुळाकार संरचनेद्वारे आणलेल्या मोठ्या ध्रुवीयतेमुळे बऱ्याचदा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक येतो. उच्च डायलेक्ट्रिक स्थिरता, उच्च आयनिक चालकता आणि EC सॉल्व्हेंट्सची उत्कृष्ट फिल्म-फॉर्मिंग कार्यप्रदर्शन प्रभावीपणे सॉल्व्हेंट रेणूंच्या सह प्रवेशास प्रतिबंधित करते, त्यांना अपरिहार्य बनवते. म्हणून, सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या कमी-तापमानाच्या इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम EC वर आधारित असतात आणि कमी वितळण्याच्या बिंदूच्या लहान रेणू सॉल्व्हेंट्ससह मिसळल्या जातात.
• 
  
• लिथियम ग्लायकोकॉलेट इलेक्ट्रोलाइट्सचा एक महत्त्वाचा घटक आहे. इलेक्ट्रोलाइट्समधील लिथियम क्षार केवळ द्रावणाची आयनिक चालकता सुधारू शकत नाहीत तर द्रावणातील Li+ चे प्रसार अंतर देखील कमी करू शकतात. सर्वसाधारणपणे, द्रावणात Li+ चे प्रमाण जितके जास्त असेल तितकी त्याची आयनिक चालकता जास्त असेल. तथापि, इलेक्ट्रोलाइटमधील लिथियम आयनची एकाग्रता लिथियम क्षारांच्या एकाग्रतेशी रेखीयपणे संबंधित नाही, तर पॅराबॉलिक आकारात आहे. याचे कारण असे की सॉल्व्हेंटमधील लिथियम आयनची एकाग्रता सॉल्व्हेंटमधील लिथियम क्षारांच्या पृथक्करण आणि जोडण्याच्या ताकदीवर अवलंबून असते.

बॅटरीच्या रचना व्यतिरिक्त, व्यावहारिक ऑपरेशनमधील प्रक्रिया घटक देखील बॅटरीच्या कार्यक्षमतेवर महत्त्वपूर्ण प्रभाव टाकू शकतात.

(1) तयारी प्रक्रिया. याकूब वगैरे. LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite बॅटरीच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेवर इलेक्ट्रोड लोड आणि कोटिंगच्या जाडीच्या परिणामांचा अभ्यास केला आणि असे आढळले की क्षमता टिकवून ठेवण्याच्या दृष्टीने, इलेक्ट्रोडचा भार जितका लहान असेल तितका कोटिंगचा थर पातळ होईल आणि चांगले. त्याची कमी-तापमान कामगिरी.

(2) चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग स्थिती. Petzl et al. बॅटरीच्या सायकल लाइफवर कमी-तापमान चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग परिस्थितीचा प्रभाव अभ्यासला आणि आढळले की जेव्हा डिस्चार्जची खोली मोठी असते, तेव्हा ते लक्षणीय क्षमतेचे नुकसान करते आणि सायकलचे आयुष्य कमी करते.

(3) इतर घटक. पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ, छिद्र आकार, इलेक्ट्रोड घनता, इलेक्ट्रोड आणि इलेक्ट्रोलाइटमधील ओलेपणा आणि इलेक्ट्रोडचे विभाजक हे सर्व लिथियम-आयन बॅटरीच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेवर परिणाम करतात. याव्यतिरिक्त, बॅटरीच्या कमी-तापमान कार्यक्षमतेवर सामग्री आणि प्रक्रियांमधील दोषांचा प्रभाव दुर्लक्षित केला जाऊ शकत नाही.

सारांश द्या

लिथियम-आयन बॅटरीची कमी-तापमान कामगिरी सुनिश्चित करण्यासाठी, खालील गोष्टी करणे आवश्यक आहे:

(1) एक पातळ आणि दाट SEI फिल्म तयार करणे;

(२) सक्रिय पदार्थामध्ये Li+मध्ये मोठ्या प्रमाणात प्रसार गुणांक असल्याची खात्री करा;

(3) इलेक्ट्रोलाइट्समध्ये कमी तापमानात उच्च आयनिक चालकता असते.

याव्यतिरिक्त, संशोधन नवीन मार्ग देखील शोधू शकते आणि दुसर्या प्रकारच्या लिथियम-आयन बॅटरीवर लक्ष केंद्रित करू शकते - सर्व सॉलिड-स्टेट लिथियम-आयन बॅटरी. पारंपारिक लिथियम-आयन बॅटरीच्या तुलनेत, सर्व सॉलिड-स्टेट लिथियम-आयन बॅटरियां, विशेषत: सर्व सॉलिड-स्टेट पातळ फिल्म लिथियम-आयन बॅटरियां, कमी तापमानात वापरल्या जाणाऱ्या बॅटरीची क्षमता कमी होणे आणि सायकलिंग सुरक्षिततेच्या समस्यांचे पूर्णपणे निराकरण करणे अपेक्षित आहे.