Matalan lämpötilan litiumioniakun suorituskyvyn parantamismenetelmä

Tärkeimmistä litium-ioniakkujen huonon lämpötilan suorituskyvystä keskustellaan edelleen. Tärkeimmät syyt ovat: elektrolyytin viskositeetti kasvaa matalissa lämpötiloissa ja johtavuus vähenee; elektrolyytin / elektrodin rajapinnan kalvovastus ja varauksen siirtovastus kasvavat; litiumionit ovat aktiivisessa materiaalirungossa Siirtymisnopeus väliaineessa pienenee. Tämän seurauksena elektrodin polarisaatio matalissa lämpötiloissa kasvaa ja lataus- ja purkauskapasiteetti vähenevät.

Litium-ioniakkujen alhaisessa lämpötilassa lataamisen aikana, erityisesti matalan lämpötilan korkean latauksen aikana, negatiivisessa elektrodissa tapahtuu litiummetallin saostumista ja saostumista. Saostunut metallilitium reagoi helposti peruuttamattomasti elektrolyytin kanssa ja kuluttaa suuren määrän elektrolyyttiä. Samanaikaisesti SEI-kalvon paksuus kasvaa edelleen, mikä johtaa akun negatiivisen elektrodipintakalvon impedanssin lisääntymiseen ja akun polarisaation lisääntymiseen uudelleen, mikä vahingoittaa suuresti alhaisen lämpötilan suorituskykyä, akun käyttöikä ja turvallisuustaso.

Matalan lämpötilan litiumioniakun suorituskyvyn parantamismenetelmä Muutosmenetelmä pariston parempaan suorituskykyyn matalassa lämpötilassa kolmesta näkökulmasta: positiivinen elektrodi, elektrolyytti ja negatiivinen elektrodi.

1. Katodimateriaali

Tavanomaisia ​​tapoja parantaa katodimateriaalien ionidiffuusiokykyä alhaisessa lämpötilassa ovat:

1 Aktiivimateriaalirungon pintapäällystysmenetelmä, jolla on erinomaiset johtavuusmateriaalit, parantaa positiivisen elektrodimateriaalirajapinnan johtavuutta, vähentää rajapinnan impedanssia, samalla vähentää positiivisen elektrodimateriaalin ja elektrolyytin sivureaktioita ja vakauttaa materiaalirakenteen.

2 Materiaalirunkoon on seostettu irtotavarana Mn, Al, Cr, Mg, F ja muita alkuaineita, ja materiaalin kerrosväliä lisätään lisäämään Li + diffuusionopeutta kehossa, vähentämään diffuusiota Li + -vastus ja parantaa akun suorituskykyä matalassa lämpötilassa.

3 Pienennä materiaalin hiukkaskokoa ja lyhennä Li + -siirtopolkua. On huomattava, että tämä menetelmä lisää materiaalin ominaispinta-alaa ja lisää sivureaktiota elektrolyytin kanssa.

2. Elektrolyytti

Tärkeä osa litiumioniakkua elektrolyytti ei ainoastaan ​​määrää Li + -siirtymisnopeutta nestefaasissa, vaan osallistuu myös SEI-kalvon muodostumiseen, jolla on keskeinen rooli SEI-elokuvan. Alhaisissa lämpötiloissa elektrolyytin viskositeetti kasvaa, johtavuus vähenee, SEI-kalvon impedanssi kasvaa ja yhteensopivuus positiivisten ja negatiivisten materiaalien kanssa heikkenee, mikä heikentää huomattavasti akun energiatiheyttä ja syklin suorituskykyä.

Tällä hetkellä on olemassa kaksi tapaa parantaa matalan lämpötilan suorituskykyä elektrolyytin avulla:

(1) Paranna elektrolyytin johtavuutta matalassa lämpötilassa optimoimalla liuottimen koostumus ja käyttämällä uusia elektrolyyttisuoloja;

(2) Käytä uusia lisäaineita parantamaan SEI-kalvon ominaisuuksia, mikä tekee siitä johtavan Li + johtumiseen alhaisissa lämpötiloissa.

1 Optimoi liuottimen koostumus

Elektrolyytin suorituskyky alhaisessa lämpötilassa määräytyy pääasiassa sen matalan lämpötilan eutektisen pisteen avulla. Jos sulamispiste on liian korkea, elektrolyytti on helppo kiteytyä alhaisissa lämpötiloissa, mikä vaikuttaa vakavasti elektrolyytin johtavuuteen. Etyleenikarbonaatti (EC) on elektrolyytin pääliuotinkomponentti, mutta sen sulamispiste on 36 ° C, ja sen liukoisuus elektrolyyttiin vähenee tai jopa saostuu alhaisissa lämpötiloissa, mikä vaikuttaa enemmän alhaisen lämpötilan suorituskykyyn. akku. Lisäämällä matalaa sulamispistettä ja matalan viskositeetin komponentteja liuotin EC-pitoisuuden vähentämiseksi voidaan elektrolyytin viskositeettia ja eutektistä pistettä alhaisissa lämpötiloissa vähentää tehokkaasti ja parantaa elektrolyytin johtavuutta.

2 uutta elektrolyyttisuolaa

Elektrolyyttisuola on yksi elektrolyytin tärkeistä komponenteista, ja se on myös avaintekijä erinomaisen suorituskyvyn saavuttamiseksi alhaisessa lämpötilassa. Tällä hetkellä kaupallinen elektrolyyttisuola on litiumheksafluorifosfaatti, ja muodostuneella SEI-kalvolla on suuri impedanssi, mikä johtaa huonoon alhaisen lämpötilan suorituskykyyn. Uuden tyyppisen litiumsuolan kehittäminen on välitön. Litiumtetrafluoriboraatilla on pieni anionisäde, se on helppo yhdistää ja sen johtavuus on pienempi kuin LiPF6: lla, mutta sillä on alhainen varauksen siirtovastus alhaisissa lämpötiloissa ja sillä on hyvä matalan lämpötilan suorituskyky elektrolyyttisuolana.

3 lisäainetta

SEI-kalvolla on erittäin tärkeä vaikutus akun matalan lämpötilan suorituskykyyn. Se on ionijohdin ja elektroninen eristin, ja se on kanava, jolla Li + saavuttaa elektrodin pinnan nestefaasista. Alhaisissa lämpötiloissa SEI-kalvon impedanssi kasvaa ja Li-diffuusionopeus SEI-kalvossa laskee voimakkaasti, mikä syventää varausten kertymistä elektrodin pinnalle, mikä johtaa litiumin vähenemiseen. grafiitin lisäyskapasiteetti ja polarisaation kasvu. Optimoimalla SEI-kalvon koostumus ja kalvonmuodostusolosuhteet SEI-kalvon ionijohtokyvyn parantaminen matalissa lämpötiloissa on hyödyllistä pariston alhaisessa lämpötilassa tapahtuvan suorituskyvyn parantamiseksi. Siksi sellaisten kalvon muodostavien lisäaineiden kehittäminen, joilla on erinomainen suorituskyky alhaisessa lämpötilassa, on nykyinen tutkimuskohde.

Yhteenvetona voidaan todeta, että elektrolyytin johtavuudella ja kalvonmuodostusvastuksella on tärkeä vaikutus litium-ioniakkujen suorituskykyyn alhaisessa lämpötilassa. Matalalämpötilaista elektrolyyttiä varten se tulisi optimoida kattavasti kolmesta näkökulmasta: elektrolyyttiliuotinsysteemi, litiumsuola ja lisäaineet. Elektrolyyttiliuotinta varten tulisi valita liuotinsysteemi, jolla on matala sulamispiste, matala viskositeetti ja korkea dielektrisyysvakio. Lineaarisilla karboksylaattiliuottimilla on erinomainen suorituskyky alhaisessa lämpötilassa, mutta niillä on suurempi vaikutus syklin suorituskykyyn, ja niiden on sovitettava syklinen hiilihappo korkean dielektrisen vakion estereiden, kuten EC: n ja PC: n, sekoittamiseen; litiumsuolojen ja lisäaineiden osalta tärkein näkökohta on vähentää kalvonmuodostuskestävyyttä ja lisätä litiumionien siirtymisnopeutta. Lisäksi litiumsuolapitoisuuden asianmukainen nostaminen matalissa lämpötiloissa voi lisätä elektrolyytin johtavuutta ja lisätä suorituskykyä alhaisessa lämpötilassa.

3. Anodimateriaali

Hiilianodimateriaalien litiumionien diffuusiokineettisten olosuhteiden heikkeneminen on tärkein syy, joka rajoittaa litiumioniakkujen suorituskykyä matalassa lämpötilassa. Siksi anodin sähkökemiallinen polarisaatio kiihtyy merkittävästi latausprosessin aikana, mikä johtaa helposti metallisen litiumin saostumiseen anodin pinnalla.

Sopivan anodimateriaalin valitseminen on avaintekijä pariston akun suorituskyvyn parantamiseksi matalassa lämpötilassa. Tällä hetkellä alhaisen lämpötilan suorituskyvyn optimointi suoritetaan pääasiassa anodin pintakäsittelymenetelmillä, pintapäällystyksellä, seostamisella kerrosten etäisyyden lisäämiseksi ja partikkelikoon säätämisellä.

1 Pintakäsittely

Pintakäsittely sisältää pinnan hapettumisen ja fluoramisen. Pintakäsittely voi vähentää aktiivisia kohtia grafiitin pinnalla, vähentää peruuttamattomia kapasiteettihäviöitä ja tuottaa enemmän mikronanorakenteen huokosia, mikä edistää Li + -läpäisyä ja vähentää impedanssia.

2 Pintakäsittely

Pinnoitteet, kuten hiilipäällyste ja metallipäällyste, voivat paitsi välttää suoraa kosketusta negatiivisen elektrodin ja elektrolyytin välillä, parantaa elektrolyytin ja negatiivisen elektrodin yhteensopivuutta, mutta myös lisätä grafiitin johtavuutta, tarjota enemmän litiumin lisäyskohtia ja tehdä Kapasiteetin peruuttamaton vähentäminen. Lisäksi pehmeän hiilen tai kovahiilen materiaalin kerrosten väli on suurempi kuin grafiitin. Pehmeä- tai kovahiilimateriaalikerroksen päällystäminen negatiiviselle elektrodille helpottaa litiumionien diffuusiota ja vähentää SEI-kalvon vastustuskykyä, mikä parantaa pariston suorituskykyä matalassa lämpötilassa. Pienen Ag-määrän pinnoite parantaa negatiivisen elektrodimateriaalin johtavuutta, mikä tekee siitä erinomaisen sähkökemiallisen suorituskyvyn alhaisissa lämpötiloissa.

3 Lisää grafiittikerrosten välistä etäisyyttä

Grafiittianodilla on pieni välikerrosväli, ja litiumionien diffuusionopeus grafiittikerrosten välillä pienissä lämpötiloissa pienenee, mikä johtaa lisääntyneeseen polarisaatioon. B: n, N: n, S: n, K: n ja muiden elementtien lisääminen grafiitin valmistusprosessiin voi muuttaa grafiitin rakennetta ja lisätä grafiitin välikerroksia parantaa sen kykyä vapauttaa / interkaloida litiumia. P: n (0,106pm) atomisäde on suurempi kuin C: n (0,077pm). P-seostaminen voi lisätä grafiitin välikerroksia, parantaa litiumionien diffuusiokykyä ja mahdollisesti parantaa sitä. Grafiittikiteiden pitoisuus hiilimateriaaleissa. K: n lisääminen hiilimateriaaliin muodostaa interkalaatioyhdisteen KC8. Kun kalium poistetaan, hiilimateriaalin kerrosten välinen etäisyys kasvaa, mikä on hyödyllistä litiumin nopealle asettamiselle, mikä parantaa pariston suorituskykyä matalassa lämpötilassa.

4 Säädä negatiivisten elektrodihiukkasten kokoa

Mitä suurempi negatiivisen elektrodin hiukkaskoko, sitä pidempi litiumionin diffuusioreitti ja sitä suurempi diffuusiovastus, mikä johtaa lisääntyneeseen konsentraation polarisaatioon ja huonoon suorituskykyyn alhaisessa lämpötilassa. Siksi negatiivisen elektrodimateriaalin hiukkaskoon asianmukainen pienentäminen voi tehokkaasti lyhentää litiumionien siirtymäetäisyyttä grafiittikerrosten välillä, vähentää diffuusiovastusta, lisätä elektrolyyttien tunkeutumisaluetta ja parantaa pariston suorituskykyä matalassa lämpötilassa. Lisäksi pienellä hiukkaskokoisella yksittäisellä partikkelilla rakeistetulla negatiivisella grafiittielektrodilla on korkeampi isotropia, se voi tarjota enemmän litiumin lisäyskohtia, vähentää polarisaatiota ja parantaa merkittävästi pariston suorituskykyä matalassa lämpötilassa.

Litium-ioniakkujen suorituskyky alhaisessa lämpötilassa on avaintekijä, joka rajoittaa litiumparistojen käyttöä. Litiumparistojen suorituskyvyn parantaminen matalassa lämpötilassa on edelleen kuuma ja vaikea kohta nykyisessä tutkimuksessa. Litiumparistojen suorituskyvyn parantamiseksi matalassa lämpötilassa on otettava huomioon kattavien tekijöiden, kuten positiivisen elektrodin, negatiivisen elektrodin ja elektrolyytin, vaikutus akussa. Optimoimalla elektrolyyttiliuotin, lisäaineet ja litiumsuolakoostumus, elektrolyytin johtavuus paranee ja kalvonmuodostusvastus pienenee; Elektrodimateriaalille tehdään modifiointikäsittelyjä, kuten seostamista, päällystämistä ja rakeistamista materiaalirakenteen optimoimiseksi ja Li: n rajapinnan vastuksen ja diffuusiovastuksen vähentämiseksi aktiivisessa materiaalirungossa. Akkujärjestelmän yleisen optimoinnin avulla litiumakun polarisaatio alhaisissa lämpötiloissa vähenee ja pariston suorituskyky matalassa lämpötilassa paranee edelleen.