เหตุใดความจุของแบตเตอรี่ลิเธียมจึงลดลงในฤดูหนาว

เหตุใดความจุของแบตเตอรี่ลิเธียมจึงลดลงในฤดูหนาว

นับตั้งแต่เข้าสู่ตลาด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีข้อดี เช่น อายุการใช้งานยาวนาน ความจุเฉพาะขนาดใหญ่ และไม่มีผลกระทบต่อหน่วยความจำ การใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่อุณหภูมิต่ำมีปัญหา เช่น ความจุต่ำ การลดทอนอย่างรุนแรง ประสิทธิภาพของอัตรารอบต่ำ วิวัฒนาการของลิเธียมที่ชัดเจน และการถอดและการใส่ลิเธียมที่ไม่สมดุล อย่างไรก็ตาม ด้วยการขยายขอบเขตการใช้งานอย่างต่อเนื่อง ข้อจำกัดที่เกิดจากประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำต่ำของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงเริ่มชัดเจนมากขึ้น

ตามรายงาน ความสามารถในการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ -20 ℃ มีเพียงประมาณ 31.5% ของความจุดังกล่าวที่อุณหภูมิห้อง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง -20~+55 ℃ อย่างไรก็ตาม ในด้านต่างๆ เช่น การบินและอวกาศ การทหาร และยานพาหนะไฟฟ้า กำหนดให้แบตเตอรี่สามารถทำงานได้ตามปกติที่อุณหภูมิ -40 ℃ ดังนั้นการปรับปรุงคุณสมบัติอุณหภูมิต่ำของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ปัจจัยที่จำกัดประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

• ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ ความหนืดของอิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มขึ้นและแม้แต่การแข็งตัวบางส่วน ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนลดลง
• ความเข้ากันได้ระหว่างอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรดลบ และเครื่องแยกจะลดลงในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ
• อิเล็กโทรดลบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำจะเกิดการตกตะกอนของลิเธียมอย่างรุนแรง และลิเธียมโลหะที่ตกตะกอนจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ ส่งผลให้เกิดการสะสมของผลิตภัณฑ์และเพิ่มความหนาของส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI)
• ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ ระบบการแพร่กระจายของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนภายในวัสดุออกฤทธิ์จะลดลง และความต้านทานการถ่ายโอนประจุ (Rct) จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ความคิดเห็นของผู้เชี่ยวชาญ 1: อิเล็กโทรไลต์มีผลกระทบมากที่สุดต่อประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และองค์ประกอบและคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของอิเล็กโทรไลต์มีผลกระทบสำคัญต่อประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำของแบตเตอรี่ ปัญหาที่ต้องเผชิญกับการหมุนเวียนของแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิต่ำคือความหนืดของอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้น ความเร็วการนำไอออนช้าลง และความเร็วการย้ายของอิเล็กตรอนในวงจรภายนอกไม่ตรงกัน ส่งผลให้แบตเตอรี่มีโพลาไรเซชันรุนแรงและมีคม ความสามารถในการชาร์จและการคายประจุลดลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อชาร์จที่อุณหภูมิต่ำ ลิเธียมไอออนสามารถสร้างลิเธียมเดนไดรต์บนพื้นผิวขั้วลบได้อย่างง่ายดาย ส่งผลให้แบตเตอรี่เสียหาย

ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำของอิเล็กโทรไลต์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับค่าการนำไฟฟ้าของมันเอง อิเล็กโทรไลต์ที่มีความนำไฟฟ้าสูงขนส่งไอออนได้อย่างรวดเร็วและสามารถออกแรงความจุได้มากขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ ยิ่งเกลือลิเธียมแยกตัวออกจากอิเล็กโทรไลต์มากเท่าใด การโยกย้ายก็จะยิ่งเกิดขึ้นมากขึ้นเท่านั้น และค่าการนำไฟฟ้าก็จะยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย ยิ่งค่าการนำไฟฟ้าสูงและอัตราการนำไอออนเร็วขึ้น โพลาไรเซชันที่ได้รับก็จะยิ่งน้อยลง และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิต่ำก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ดังนั้น ค่าการนำไฟฟ้าที่สูงขึ้นจึงเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นในการบรรลุประสิทธิภาพที่ดีที่อุณหภูมิต่ำของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์สัมพันธ์กับองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ และการลดความหนืดของตัวทำละลายก็เป็นวิธีหนึ่งในการปรับปรุงค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ การไหลที่ดีของตัวทำละลายที่อุณหภูมิต่ำเป็นการรับประกันการขนส่งไอออน และฟิล์มอิเล็กโทรไลต์แข็งที่เกิดจากอิเล็กโทรไลต์บนอิเล็กโทรดลบที่อุณหภูมิต่ำยังเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการนำลิเธียมไอออน และ RSEI เป็นความต้านทานหลักของลิเธียม- แบตเตอรี่ไอออนในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ

ผู้เชี่ยวชาญ 2: ปัจจัยหลักที่จำกัดประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือความต้านทานการแพร่กระจายของ Li+ ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิต่ำ แทนที่จะเป็นเมมเบรน SEI

คุณลักษณะอุณหภูมิต่ำของวัสดุอิเล็กโทรดบวกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

1. ลักษณะอุณหภูมิต่ำของวัสดุอิเล็กโทรดบวกแบบชั้น

โครงสร้างแบบชั้นซึ่งมีสมรรถนะในอัตราที่ไม่มีใครเทียบได้เมื่อเทียบกับช่องการแพร่กระจายลิเธียมไอออนแบบมิติเดียวและความเสถียรทางโครงสร้างของช่องสามมิติ ถือเป็นวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกที่มีจำหน่ายในท้องตลาดที่เก่าแก่ที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน สารที่เป็นตัวแทน ได้แก่ LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 และ Li (Ni, Co, Mn) O2

Xie Xiaohua และคณะ ศึกษา LiCoO2/MCMB และทดสอบคุณลักษณะการชาร์จและการคายประจุที่อุณหภูมิต่ำ

ผลการวิจัยพบว่าเมื่ออุณหภูมิลดลง ปริมาณการคายประจุจะลดลงจาก 3.762V (0 ℃) เป็น 3.207V (-30 ℃) ความจุแบตเตอรี่รวมลดลงอย่างรวดเร็วจาก 78.98mA · h (0 ℃) เป็น 68.55mA · h (-30 ℃)

2. ลักษณะอุณหภูมิต่ำของวัสดุแคโทดที่มีโครงสร้างสปิเนล

วัสดุแคโทด LiMn2O4 ที่มีโครงสร้างเป็นสปินเนลมีข้อดีคือมีต้นทุนต่ำและไม่เป็นพิษเนื่องจากไม่มีองค์ประกอบ Co

อย่างไรก็ตาม สถานะเวเลนซ์แปรผันของ Mn และผลกระทบของ Jahn Teller ของ Mn3+ ส่งผลให้เกิดความไม่เสถียรทางโครงสร้างและการกลับตัวได้ไม่ดีของส่วนประกอบนี้

เผิง เจิ้งชุน และคณะ ชี้ให้เห็นว่าวิธีการเตรียมต่างๆ มีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของวัสดุแคโทด LiMn2O4 ยกตัวอย่าง Rct: Rct ของ LiMn2O4 ที่สังเคราะห์โดยวิธีโซลิดเฟสอุณหภูมิสูงมีค่าสูงกว่าที่สังเคราะห์โดยวิธีโซลเจลอย่างมีนัยสำคัญ และปรากฏการณ์นี้ยังสะท้อนให้เห็นในค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายของลิเธียมไอออนด้วย สาเหตุหลักก็คือวิธีการสังเคราะห์ที่แตกต่างกันมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความเป็นผลึกและสัณฐานวิทยาของผลิตภัณฑ์

3. ลักษณะอุณหภูมิต่ำของวัสดุแคโทดระบบฟอสเฟต

LiFePO4 พร้อมด้วยวัสดุแบบไตรภาค ได้กลายเป็นวัสดุอิเล็กโทรดบวกหลักสำหรับแบตเตอรี่กำลัง เนื่องจากมีความเสถียรและความปลอดภัยของปริมาตรเป็นเลิศ สมรรถนะที่อุณหภูมิต่ำต่ำของลิเธียมเหล็กฟอสเฟตมีสาเหตุหลักมาจากวัสดุที่เป็นฉนวน ค่าการนำไฟฟ้าทางอิเล็กทรอนิกส์ต่ำ การแพร่กระจายของลิเธียมไอออนไม่ดี และค่าการนำไฟฟ้าต่ำที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ และได้รับผลกระทบอย่างมากจากโพลาไรซ์ ขัดขวางการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำไม่เป็นที่น่าพอใจ

เมื่อศึกษาพฤติกรรมการชาร์จและการคายประจุของ LiFePO4 ที่อุณหภูมิต่ำ Gu Yijie และคณะ พบว่าประสิทธิภาพคูลอมบิกลดลงจาก 100% ที่ 55 ℃ เป็น 96% ที่ 0 ℃ และ 64% ที่ -20 ℃ ตามลำดับ แรงดันไฟฟ้าคายประจุลดลงจาก 3.11V ที่ 55 ℃ เป็น 2.62V ที่ -20 ℃

ซิง และคณะ ดัดแปลง LiFePO4 โดยใช้นาโนคาร์บอน และพบว่าการเติมสารนำไฟฟ้านาโนคาร์บอนช่วยลดความไวของประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของ LiFePO4 ต่ออุณหภูมิ และปรับปรุงประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ แรงดันคายประจุของ LiFePO4 ที่ดัดแปลงลดลงจาก 3.40V ที่ 25 ℃ เป็น 3.09V ที่ -25 ℃ โดยลดลงเพียง 9.12%; และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่อยู่ที่ 57.3% ที่ -25 ℃ ซึ่งสูงกว่า 53.4% ​​โดยไม่มีสารนำไฟฟ้านาโนคาร์บอน

เมื่อเร็วๆ นี้ LiMnPO4 ได้รับความสนใจอย่างมากจากผู้คน การวิจัยพบว่า LiMnPO4 มีข้อดี เช่น มีศักยภาพสูง (4.1V) ไม่มีมลพิษ ราคาต่ำ และความจุเฉพาะขนาดใหญ่ (170mAh/g) อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก LiMnPO4 มีการนำไอออนิกต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ LiFePO4 จึงมักใช้ Fe เพื่อแทนที่ Mn บางส่วนเพื่อสร้างสารละลายของแข็ง LiMn0.8Fe0.2PO4 ในทางปฏิบัติ

ลักษณะอุณหภูมิต่ำของวัสดุอิเล็กโทรดลบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน