सर्दियों में लिथियम बैटरी की क्षमता कम क्यों हो जाती है, आखिरकार कोई इसे समझा सकता है!
जब से लिथियम-आयन बैटरियों ने बाजार में प्रवेश किया है, लंबे जीवन, बड़ी विशिष्ट क्षमता, और कोई स्मृति प्रभाव नहीं होने के कारण उनका व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। लिथियम-आयन बैटरियों के कम तापमान के उपयोग में कम क्षमता, गंभीर क्षीणन, खराब चक्र दर प्रदर्शन, स्पष्ट लिथियम जमाव और असंतुलित लिथियम निष्कर्षण जैसी समस्याएं हैं। हालांकि, अनुप्रयोग क्षेत्रों के निरंतर विस्तार के साथ, खराब निम्न-लिथियम के तापमान प्रदर्शन-आयन बैटरी के कारण होने वाली बाधाएं अधिक से अधिक स्पष्ट होती जा रही हैं।
रिपोर्टों के अनुसार, लिथियम-आयन बैटरियों की -20 डिग्री पर डिस्चार्ज क्षमता कमरे के तापमान की तुलना में केवल 31.5 प्रतिशत है। पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी का ऑपरेटिंग तापमान -20 और प्लस 55 डिग्री के बीच है। हालांकि, एयरोस्पेस, सैन्य उद्योग, इलेक्ट्रिक वाहन आदि के क्षेत्र में, बैटरी को सामान्य रूप से -40 डिग्री पर काम करने की आवश्यकता होती है। इसलिए, ली-आयन बैटरी के निम्न-तापमान गुणों में सुधार करना बहुत महत्वपूर्ण है।
Li-आयन बैटरियों के निम्न तापमान प्रदर्शन को प्रतिबंधित करने वाले कारक
कम तापमान वाले वातावरण में, इलेक्ट्रोलाइट की चिपचिपाहट बढ़ जाती है और यहां तक कि आंशिक रूप से जम जाती है, जिसके परिणामस्वरूप लिथियम-आयन बैटरी की चालकता में कमी आती है। इलेक्ट्रोलाइट और नकारात्मक इलेक्ट्रोड और विभाजक के बीच संगतता कम तापमान वाले वातावरण में खराब हो जाती है। लिथियम के नकारात्मक इलेक्ट्रोड-आयन बैटरी में कम तापमान वाले वातावरण में गंभीर लिथियम वर्षा होती है, और अवक्षेपित धातु लिथियम इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करता है, और इसके उत्पाद के जमाव से ठोस की मोटाई में वृद्धि होती है- इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस (एसईआई)। कम तापमान के वातावरण में, सक्रिय सामग्री में ली - आयन बैटरी की प्रसार प्रणाली कम हो जाती है, और चार्ज ट्रांसफर प्रतिरोध (आरसीटी) काफी बढ़ जाता है।
ली-आयन बैटरियों के निम्न तापमान प्रदर्शन को प्रभावित करने वाले कारकों पर चर्चा
विशेषज्ञ की राय 1: इलेक्ट्रोलाइट का सबसे अधिक प्रभाव लिथियम के निम्न-तापमान प्रदर्शन-आयन बैटरी पर पड़ता है, और इलेक्ट्रोलाइट की संरचना और भौतिक रासायनिक गुणों का निम्न पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है{{3} }बैटरी का तापमान प्रदर्शन। कम तापमान पर बैटरी के सामने आने वाली समस्याएं हैं: इलेक्ट्रोलाइट की चिपचिपाहट बढ़ जाएगी, आयन चालन की गति धीमी हो जाएगी, जिसके परिणामस्वरूप बाहरी सर्किट की इलेक्ट्रॉन प्रवास गति बेमेल हो जाएगी, जिससे बैटरी गंभीर रूप से ध्रुवीकृत हो जाएगी, और चार्ज और डिस्चार्ज क्षमता में तेजी से कमी आएगी। विशेष रूप से कम तापमान पर चार्ज करते समय, लिथियम आयन आसानी से नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर लिथियम डेंड्राइट बनाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बैटरी की विफलता होती है।
इलेक्ट्रोलाइट का निम्न तापमान प्रदर्शन इलेक्ट्रोलाइट की चालकता के आकार से निकटता से संबंधित है। उच्च चालकता वाला इलेक्ट्रोलाइट आयनों को जल्दी से प्रसारित करता है और कम तापमान पर अधिक क्षमता लगा सकता है। इलेक्ट्रोलाइट में लिथियम नमक जितना अधिक विघटित होता है, माइग्रेशन की संख्या उतनी ही अधिक होती है और चालकता उतनी ही अधिक होती है। विद्युत चालकता जितनी अधिक होगी, आयन चालन दर उतनी ही तेज होगी, ध्रुवीकरण उतना ही कम होगा और कम तापमान पर बैटरी का प्रदर्शन बेहतर होगा। इसलिए, उच्च विद्युत चालकता लिथियम के अच्छे निम्न-तापमान प्रदर्शन-आयन बैटरी को प्राप्त करने के लिए एक आवश्यक शर्त है।
इलेक्ट्रोलाइट की चालकता इलेक्ट्रोलाइट की संरचना से संबंधित है, और विलायक की चिपचिपाहट को कम करना इलेक्ट्रोलाइट की चालकता में सुधार करने के तरीकों में से एक है। कम तापमान पर विलायक की अच्छी तरलता आयन परिवहन की गारंटी है, और कम तापमान पर नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रोलाइट द्वारा बनाई गई ठोस इलेक्ट्रोलाइट फिल्म भी लिथियम आयनों के प्रवाहकत्त्व को प्रभावित करने की कुंजी है, और आरएसईआई मुख्य प्रतिबाधा है। कम तापमान के वातावरण में लिथियम आयन बैटरी की।
विशेषज्ञ 2: लिथियम-आयन बैटरी के निम्न तापमान प्रदर्शन को सीमित करने वाला मुख्य कारक कम तापमान पर तेजी से बढ़ा हुआ ली प्लस प्रसार प्रतिरोध है, एसईआई फिल्म नहीं।
लिथियम आयन बैटरी के लिए कैथोड सामग्री के निम्न तापमान गुण
1. स्तरित कैथोड सामग्री के निम्न तापमान गुण
स्तरित संरचना में न केवल एक-आयामी लिथियम आयन प्रसार चैनलों का अतुलनीय दर प्रदर्शन होता है, बल्कि इसमें तीन-आयामी चैनलों की संरचनात्मक स्थिरता भी होती है। यह लिथियम आयन बैटरी के लिए सबसे प्रारंभिक व्यावसायिक कैथोड सामग्री है। इसके प्रतिनिधि पदार्थ LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 और Li(Ni, Co, Mn)O2 इत्यादि हैं।
ज़ी ज़िआओहुआ एट अल। LiCoO2/MCMB को शोध वस्तु के रूप में लिया और इसके निम्न-तापमान आवेश-निर्वहन विशेषताओं का परीक्षण किया।
The results show that with the decrease of temperature, the discharge platform drops from 3.762V (0 degree ) to 3.207V (–30 degree ); the total battery capacity also decreases sharply from 78.98mA·h (0 degree ) to 68.55mA·h (–30 degree ).
2. निम्न-स्पिनेल की तापमान विशेषताएँ-संरचित कैथोड सामग्री
स्पिनल संरचना LiMn2O4 कैथोड सामग्री में कम लागत और गैर - विषाक्तता के फायदे हैं क्योंकि इसमें सह तत्व नहीं होता है।
हालांकि, Mn और Jahn-Mn3 प्लस के टेलर प्रभाव की संयोजकता परिवर्तनशीलता इस घटक की संरचनात्मक अस्थिरता और खराब प्रतिवर्तीता की ओर ले जाती है।
पेंग झेंगशुन एट अल। ने बताया कि विभिन्न तैयारी विधियों का LiMn2O4 कैथोड सामग्री के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन पर बहुत प्रभाव पड़ता है। एक उदाहरण के रूप में Rct लेते हुए: उच्च तापमान ठोस - चरण विधि द्वारा संश्लेषित LiMn2O4 का Rct, सोल - जेल विधि की तुलना में काफी अधिक है, और यह घटना लिथियम आयन विधि में है। प्रसार गुणांक भी परिलक्षित होता है। इसका कारण यह है कि विभिन्न संश्लेषण विधियों का उत्पादों की क्रिस्टलीयता और आकारिकी पर बहुत प्रभाव पड़ता है।
3. फॉस्फेट प्रणाली की कैथोड सामग्री की कम तापमान विशेषताएँ
इसकी उत्कृष्ट मात्रा स्थिरता और सुरक्षा के कारण, LiFePO4, टर्नरी सामग्री के साथ, वर्तमान पावर बैटरी कैथोड सामग्री का मुख्य निकाय बन गया है। लिथियम आयरन फॉस्फेट का खराब निम्न तापमान प्रदर्शन मुख्य रूप से इस तथ्य के कारण है कि सामग्री स्वयं एक इन्सुलेटर है, जिसमें कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता, खराब लिथियम आयन प्रसार और कम तापमान पर खराब चालकता है, जो बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध को बढ़ाता है, जो ध्रुवीकरण से बहुत प्रभावित होता है और बैटरी की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग में बाधा डालता है। इसलिए, कम तापमान प्रदर्शन आदर्श नहीं है।
When studying the charge{{0}}discharge behavior of LiFePO4 at low temperature, Gu Yijie et al. found that its coulombic efficiency dropped from 100 percent at 55 degree to 96 percent at 0 degree and 64 percent at -20 degree , respectively; the discharge voltage decreased from 3.11V at 55 degree . Decrease to 2.62V at –20 degree .
Xing et al. modified LiFePO4 with nano-carbon and found that after adding nano-carbon conductive agent, the electrochemical performance of LiFePO4 was less sensitive to temperature, and the low-temperature performance was improved; the discharge voltage of modified LiFePO4 increased from 3.40 at 25 degree V drops to 3.09V at –25 degree , a decrease of only 9.12 percent ; and its cell efficiency at –25 degree is 57.3 percent , which is higher than 53.4 percent without nano-carbon conductive agent.
हाल ही में, LiMnPO4 ने बहुत रुचि दिखाई है। अध्ययन में पाया गया कि LiMnPO4 में उच्च क्षमता (4.1V), कोई प्रदूषण नहीं, कम कीमत और बड़ी विशिष्ट क्षमता (170mAh/g) के फायदे हैं। हालांकि, LiFePO4 की तुलना में LiMnPO4 की कम आयनिक चालकता के कारण, Fe का उपयोग अक्सर Mn को आंशिक रूप से LiMn 0 बनाने के लिए किया जाता है। व्यवहार में 8Fe0.2PO4 ठोस समाधान।
लिथियम आयन बैटरी के लिए एनोड सामग्री के निम्न तापमान गुण
सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की तुलना में, लिथियम आयन बैटरी की नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री का कम तापमान में गिरावट अधिक गंभीर है, मुख्य रूप से निम्नलिखित तीन कारणों से:
When the battery is charged and discharged at a high rate at low temperature, the polarization of the battery is serious, and a large amount of metal lithium is deposited on the surface of the negative electrode, and the reaction product of metal lithium and the electrolyte generally does not have conductivity; From the perspective of thermodynamics, the electrolyte contains a large amount of C–O, C– N etc.
The polar group can react with the negative electrode material, and the formed SEI film is more susceptible to low temperature; · The carbon negative electrode is difficult to intercalate lithium at low temperature, and there is asymmetric charge and discharge.
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कम तापमान इलेक्ट्रोलाइट पर अनुसंधान
इलेक्ट्रोलाइट ली प्लस को लिथियम-आयन बैटरी में ले जाने की भूमिका निभाता है, और इसकी आयनिक चालकता और एसईआई फिल्म-बनाने वाले गुणों का बैटरी के निम्न-तापमान प्रदर्शन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है . कम -तापमान इलेक्ट्रोलाइट्स के पेशेवरों और विपक्षों को पहचानने के लिए तीन मुख्य संकेतक हैं: आयनिक चालकता, विद्युत रासायनिक खिड़की और इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाशीलता। इन तीन संकेतकों का स्तर काफी हद तक इसकी घटक सामग्री पर निर्भर करता है: विलायक, इलेक्ट्रोलाइट (लिथियम नमक), और योजक। इसलिए, बैटरी के निम्न तापमान प्रदर्शन को समझने और सुधारने के लिए इलेक्ट्रोलाइट के प्रत्येक भाग के निम्न तापमान प्रदर्शन पर शोध का बहुत महत्व है।
·Low-temperature characteristics of EC-based electrolytes Compared with chain carbonates, cyclic carbonates have a tighter structure, larger acting force, and higher melting point and viscosity. However, the large polarity brought by the ring structure makes it often have a large dielectric constant. The large dielectric constant, high ionic conductivity, and excellent film-forming properties of EC solvent effectively prevent the co-insertion of solvent molecules, making it indispensable. Therefore, most of the commonly used low-temperature electrolyte systems are based on EC, and then mixed Small molecule solvent with low melting point. ·Lithium salt is an important component of electrolyte. Lithium salt in the electrolyte can not only improve the ionic conductivity of the solution, but also reduce the diffusion distance of Li plus in the solution. In general, the greater the concentration of Li plus in the solution, the greater the ionic conductivity. However, the concentration of lithium ions in the electrolyte is not linearly related to the concentration of lithium salts, but is parabolic. This is because the concentration of lithium ions in the solvent depends on the strength of the dissociation and association of lithium salts in the solvent.
कम तापमान इलेक्ट्रोलाइट पर अनुसंधान
बैटरी की संरचना के अलावा, वास्तविक संचालन में प्रक्रिया कारकों का भी बैटरी के प्रदर्शन पर बहुत प्रभाव पड़ेगा।
(1) तैयारी की प्रक्रिया। याकूब एट अल। LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 / ग्रेफाइट बैटरी के निम्न तापमान प्रदर्शन पर इलेक्ट्रोड लोड और कोटिंग मोटाई के प्रभाव का अध्ययन किया और पाया कि क्षमता प्रतिधारण के मामले में, इलेक्ट्रोड लोड जितना छोटा होगा और कोटिंग की परत जितनी पतली होगी, तापमान का प्रदर्शन उतना ही बेहतर होगा। .
(2) प्रभार और निर्वहन की स्थिति। पेटज़ल एट अल। बैटरी चक्र जीवन पर कम-तापमान चार्ज-डिस्चार्ज स्थिति के प्रभाव का अध्ययन किया, और पाया कि जब डिस्चार्ज की गहराई बड़ी होती है, तो यह अधिक क्षमता हानि और चक्र जीवन को कम करेगा।
(3) अन्य कारक। सतह क्षेत्र, ताकना आकार, इलेक्ट्रोड घनत्व, इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट की अस्थिरता, और विभाजक, आदि, सभी लिथियम के निम्न -तापमान प्रदर्शन-आयन बैटरी को प्रभावित करते हैं। इसके अलावा, बैटरी के कम तापमान प्रदर्शन पर सामग्री और प्रक्रिया दोषों के प्रभाव को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है।
संक्षेप
लिथियम-आयन बैटरी के निम्न तापमान प्रदर्शन को सुनिश्चित करने के लिए, निम्नलिखित बिंदुओं को करने की आवश्यकता है:
(1) एक पतली और घनी एसईआई फिल्म बनाएं;
(2) सुनिश्चित करें कि सक्रिय सामग्री में ली प्लस का एक बड़ा प्रसार गुणांक है;
(3) इलेक्ट्रोलाइट में कम तापमान पर उच्च आयनिक चालकता होती है।
इसके अलावा, अनुसंधान एक अन्य प्रकार की लिथियम-आयन बैटरी-सभी-ठोस-स्टेट लिथियम-आयन बैटरी को देखने का एक अन्य तरीका भी खोज सकता है। . पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में, सभी-ठोस-स्टेट लिथियम-आयन बैटरी, विशेष रूप से सभी-ठोस-स्थिति पतली{ {11}}फिल्म लिथियम-आयन बैटरी, कम तापमान पर बैटरी का उपयोग करने पर क्षमता क्षय और चक्र सुरक्षा की समस्या को पूरी तरह से हल करने की उम्मीद है।
