عملکرد دمای پایین باتری های لیتیومی

در محیط دمای پایین، عملکرد باتری لیتیوم یون ایده آل نیست. هنگامی که باتری‌های لیتیوم یونی معمولاً در دمای 10- درجه سانتیگراد کار می‌کنند، حداکثر ظرفیت شارژ و دشارژ و ولتاژ پایانه آنها در مقایسه با دمای معمولی [6] به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، زمانی که دمای تخلیه به -20 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد، ظرفیت موجود کاهش می‌یابد. حتی در دمای اتاق 25 درجه سانتیگراد به 1/3 کاهش می یابد، زمانی که دمای تخلیه پایین تر است، برخی از باتری های لیتیومی حتی نمی توانند فعالیت های شارژ و تخلیه را انجام دهند و وارد حالت "باتری مرده" می شوند.

1، ویژگی های باتری های لیتیوم یون در دماهای پایین
(1) ماکروسکوپی
تغییرات مشخصه باتری لیتیوم یونی در دمای پایین به شرح زیر است: با کاهش مداوم دما، مقاومت اهمی و مقاومت قطبش در درجات مختلف افزایش می یابد. ولتاژ تخلیه باتری لیتیوم یون کمتر از دمای معمولی است. هنگام شارژ و دشارژ در دمای پایین، ولتاژ کاری آن سریعتر از دمای معمولی افزایش یا کاهش می یابد و در نتیجه حداکثر ظرفیت و توان قابل استفاده آن کاهش می یابد.

(2) میکروسکوپی
تغییرات عملکرد باتری های لیتیوم یون در دماهای پایین عمدتاً به دلیل تأثیر عوامل مهم زیر است. هنگامی که دمای محیط کمتر از -20 درجه سانتیگراد است، الکترولیت مایع جامد می شود، ویسکوزیته آن به شدت افزایش می یابد و هدایت یونی آن کاهش می یابد. انتشار یون لیتیوم در مواد الکترود مثبت و منفی کند است. یون لیتیوم به سختی حل می شود و انتقال آن در فیلم SEI کند است و امپدانس انتقال بار افزایش می یابد. مشکل لیتیوم دندریت به ویژه در دمای پایین برجسته است.

2، برای حل عملکرد دمای پایین باتری های لیتیوم یون
طراحی یک سیستم مایع الکترولیتی جدید برای پاسخگویی به محیط دمای پایین؛ بهبود ساختار الکترود مثبت و منفی برای تسریع سرعت انتقال و کوتاه کردن فاصله انتقال. رابط الکترولیت جامد مثبت و منفی را برای کاهش امپدانس کنترل کنید.

(1) مواد افزودنی الکترولیت
به طور کلی، استفاده از افزودنی های کاربردی یکی از موثرترین و مقرون به صرفه ترین راه ها برای بهبود عملکرد باتری در دمای پایین و کمک به تشکیل فیلم SEI ایده آل است. در حال حاضر، انواع اصلی افزودنی‌ها، افزودنی‌های مبتنی بر ایزوسیانات، افزودنی‌های مبتنی بر گوگرد، افزودنی‌های مایع یونی و افزودنی‌های نمک لیتیوم معدنی هستند.

به عنوان مثال، افزودنی های مبتنی بر گوگرد دی متیل سولفیت (DMS) با فعالیت کاهنده مناسب، و از آنجایی که محصولات احیا کننده و اتصال یون لیتیوم ضعیف تر از وینیل سولفات (DTD) است، کاهش استفاده از افزودنی های آلی باعث افزایش امپدانس رابط می شود. رسانایی یونی پایدارتر و بهتر فیلم رابط الکترود منفی. استرهای سولفیت نشان داده شده توسط دی متیل سولفیت (DMS) دارای ثابت دی الکتریک بالا و محدوده دمای عملیاتی وسیعی هستند.

(2) حلال الکترولیت
الکترولیت باتری لیتیوم یونی سنتی برای حل کردن 1 مول لیتیوم هگزافلوئورو فسفات (LiPF6) در یک حلال مخلوط مانند EC، PC، VC، DMC، متیل اتیل کربنات (EMC) یا دی اتیل کربنات (DEC) است. حلال، نقطه ذوب، ثابت دی الکتریک، ویسکوزیته و سازگاری با نمک لیتیوم به طور جدی بر دمای کارکرد باتری تأثیر می گذارد. در حال حاضر، الکترولیت تجاری هنگامی که در محیط دمای پایین 20- درجه سانتیگراد و کمتر اعمال می شود، به راحتی جامد می شود، ثابت دی الکتریک پایین باعث می شود نمک لیتیوم تفکیک شود، و ویسکوزیته برای ایجاد مقاومت داخلی باتری و پایین بودن آن بسیار زیاد است. پلت فرم ولتاژ باتری های لیتیوم یونی می توانند با بهینه سازی نسبت حلال موجود، عملکرد بهتری در دمای پایین داشته باشند، مانند بهینه سازی فرمول الکترولیت (EC:PC:EMC=1:2:7) به طوری که الکترود منفی TiO2(B)/گرافن دارای A باشد. ظرفیت ~ 240 میلی آمپر ساعت در گرم-1 در -20 درجه سانتیگراد و چگالی جریان 0.1 A g-1. یا حلال های الکترولیتی با دمای پایین جدید تولید کنید. عملکرد ضعیف باتری‌های لیتیوم یونی در دماهای پایین عمدتاً مربوط به تجزیه آهسته Li + در طول فرآیند جاسازی Li + در مواد الکترود است. موادی با انرژی اتصال کم بین Li+ و مولکول‌های حلال، مانند 1، 3-دیوکسوپنتیلن (DIOX) را می‌توان انتخاب کرد و لیتیوم تیتانات نانومقیاس به عنوان ماده الکترود برای مونتاژ آزمایش باتری برای جبران کاهش ضریب انتشار استفاده می‌شود. مواد الکترود در دماهای بسیار پایین، به طوری که عملکرد بهتر در دمای پایین به دست آید.

(3) نمک لیتیوم
در حال حاضر، یون تجاری LiPF6 دارای رسانایی بالا، نیاز به رطوبت بالا در محیط، پایداری حرارتی ضعیف و گازهای بدی مانند HF در واکنش آب است که به راحتی می تواند خطرات ایمنی را ایجاد کند. فیلم الکترولیت جامد تولید شده توسط لیتیوم دی فلوروکسالات بورات (LiODFB) به اندازه کافی پایدار است و عملکرد دمای پایین بهتر و عملکرد نرخ بالاتری دارد. این به این دلیل است که LiODFB دارای مزایای هر دو لیتیوم دی اگزالات بورات (LiBOB) و LiBF4 است.

3. خلاصه
عملکرد دمای پایین باتری های لیتیوم یونی تحت تأثیر بسیاری از جنبه ها مانند مواد الکترود و الکترولیت ها قرار می گیرد. بهبود جامع از دیدگاه‌های متعدد مانند مواد الکترود و الکترولیت می‌تواند کاربرد و توسعه باتری‌های لیتیوم یونی را ارتقا دهد و چشم‌انداز کاربرد باتری‌های لیتیومی خوب است، اما این فناوری نیاز به توسعه و تکمیل در تحقیقات بیشتر دارد.