Tại sao dung lượng pin lithium giảm vào mùa đông

Tại sao dung lượng pin lithium giảm vào mùa đông

Kể từ khi gia nhập thị trường, pin lithium-ion đã được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm như tuổi thọ cao, dung lượng riêng lớn và không có hiệu ứng nhớ. Việc sử dụng pin lithium-ion ở nhiệt độ thấp có các vấn đề như công suất thấp, suy giảm nghiêm trọng, hiệu suất tốc độ chu kỳ kém, sự phát triển lithium rõ ràng và việc loại bỏ và lắp lithium không cân bằng. Tuy nhiên, với sự mở rộng liên tục của các lĩnh vực ứng dụng, những hạn chế do hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp của pin lithium-ion ngày càng trở nên rõ ràng.

Theo báo cáo, khả năng xả của pin lithium-ion ở -20oC chỉ bằng khoảng 31,5% so với ở nhiệt độ phòng. Pin lithium-ion truyền thống hoạt động ở nhiệt độ trong khoảng -20 ~ +55oC. Tuy nhiên, trong các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, quân sự và xe điện, pin bắt buộc phải hoạt động bình thường ở -40oC. Vì vậy, việc cải thiện tính chất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion có ý nghĩa rất lớn.

Các yếu tố hạn chế hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion

• Trong môi trường nhiệt độ thấp, độ nhớt của chất điện phân tăng lên và thậm chí đông đặc lại một phần, dẫn đến độ dẫn điện của pin lithium-ion giảm.
• Khả năng tương thích giữa chất điện phân, điện cực âm và thiết bị phân tách bị suy giảm trong môi trường nhiệt độ thấp.
• Điện cực âm của pin lithium-ion trong môi trường nhiệt độ thấp gặp phải lượng mưa lithium nghiêm trọng và lithium kim loại kết tủa phản ứng với chất điện phân, dẫn đến sự lắng đọng các sản phẩm của nó và làm tăng độ dày của giao diện chất điện phân rắn (SEI).
• Trong môi trường nhiệt độ thấp, hệ thống khuếch tán của pin lithium-ion bên trong vật liệu hoạt động giảm đi và trở kháng truyền điện tích (Rct) tăng đáng kể.

Ý kiến ​​​​của chuyên gia 1: Chất điện phân có tác động lớn nhất đến hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin lithium-ion, đồng thời thành phần và tính chất hóa lý của chất điện phân có tác động quan trọng đến hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin. Vấn đề phải đối mặt khi chu kỳ pin ở nhiệt độ thấp là độ nhớt của chất điện phân tăng lên, tốc độ dẫn ion chậm lại và tốc độ di chuyển của các electron trong mạch ngoài không khớp, dẫn đến sự phân cực nghiêm trọng của pin và tạo ra tia sáng sắc nét. khả năng sạc và xả giảm. Đặc biệt khi sạc ở nhiệt độ thấp, các ion lithium có thể dễ dàng hình thành các sợi nhánh lithium trên bề mặt điện cực âm, dẫn đến hỏng pin.

Hiệu suất ở nhiệt độ thấp của chất điện phân có liên quan chặt chẽ đến độ dẫn điện của chính nó. Chất điện phân có độ dẫn điện cao vận chuyển ion nhanh chóng và có thể phát huy công suất cao hơn ở nhiệt độ thấp. Càng nhiều muối lithium phân ly trong chất điện phân thì càng xảy ra sự di chuyển nhiều hơn và độ dẫn điện càng cao. Độ dẫn điện càng cao và tốc độ dẫn ion càng nhanh thì độ phân cực nhận được càng nhỏ và hiệu suất của pin ở nhiệt độ thấp càng tốt. Do đó, độ dẫn điện cao hơn là điều kiện cần thiết để đạt được hiệu suất tốt ở nhiệt độ thấp của pin lithium-ion.

Độ dẫn điện của chất điện phân có liên quan đến thành phần của nó và việc giảm độ nhớt của dung môi là một trong những cách để cải thiện độ dẫn điện của chất điện phân. Tính lưu động tốt của dung môi ở nhiệt độ thấp là sự đảm bảo cho việc vận chuyển ion và màng điện phân rắn được hình thành bởi chất điện phân trên điện cực âm ở nhiệt độ thấp cũng là yếu tố chính ảnh hưởng đến sự dẫn truyền ion lithium và RSEI là trở kháng chính của lithium- pin ion trong môi trường nhiệt độ thấp.

Chuyên gia 2: Yếu tố chính hạn chế hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin lithium-ion là trở kháng khuếch tán Li+ tăng nhanh ở nhiệt độ thấp, thay vì màng SEI.

Đặc tính nhiệt độ thấp của vật liệu điện cực dương cho pin lithium-ion

1. Đặc tính nhiệt độ thấp của vật liệu điện cực dương phân lớp

Cấu trúc phân lớp, với hiệu suất tốc độ vô song so với các kênh khuếch tán lithium-ion một chiều và độ ổn định cấu trúc của kênh ba chiều, là vật liệu điện cực dương có sẵn trên thị trường sớm nhất cho pin lithium-ion. Các chất đại diện của nó bao gồm LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2 và Li (Ni, Co, Mn) O2.

Xie Xiaohua và cộng sự. đã nghiên cứu LiCoO2/MCMB và thử nghiệm các đặc tính sạc và xả ở nhiệt độ thấp của nó.

Kết quả cho thấy khi nhiệt độ giảm, cao nguyên phóng điện giảm từ 3,762V (0 oC) xuống 3,207V (-30 oC); Tổng dung lượng pin cũng giảm mạnh từ 78,98mA · h (0oC) xuống 68,55mA · h (-30oC).

2. Đặc tính nhiệt độ thấp của vật liệu catốt có cấu trúc Spinel

Vật liệu catốt LiMn2O4 có cấu trúc Spinel có ưu điểm là giá thành thấp và không độc hại do không có nguyên tố Co.

Tuy nhiên, các trạng thái hóa trị thay đổi của Mn và hiệu ứng Jahn Teller của Mn3+ dẫn đến sự mất ổn định về cấu trúc và khả năng thuận nghịch kém của thành phần này.

Bành Chính Thuận và cộng sự. chỉ ra rằng các phương pháp điều chế khác nhau có tác động lớn đến hiệu suất điện hóa của vật liệu catốt LiMn2O4. Lấy Rct làm ví dụ: Rct của LiMn2O4 tổng hợp bằng phương pháp pha rắn ở nhiệt độ cao cao hơn đáng kể so với tổng hợp bằng phương pháp sol gel và hiện tượng này còn được thể hiện qua hệ số khuếch tán ion lithium. Lý do chính cho điều này là các phương pháp tổng hợp khác nhau có tác động đáng kể đến độ kết tinh và hình thái của sản phẩm.

3. Đặc tính nhiệt độ thấp của vật liệu catốt hệ photphat

LiFePO4, cùng với các vật liệu ternary, đã trở thành vật liệu điện cực dương chính cho pin điện do tính ổn định và an toàn về thể tích tuyệt vời của nó. Hiệu suất nhiệt độ thấp của lithium iron phosphate kém chủ yếu là do vật liệu của nó là chất cách điện, độ dẫn điện tử thấp, khuếch tán ion lithium kém và độ dẫn điện kém ở nhiệt độ thấp, làm tăng điện trở trong của pin và bị ảnh hưởng lớn bởi sự phân cực , cản trở việc sạc và xả pin, dẫn đến hiệu suất ở nhiệt độ thấp không đạt yêu cầu.

Khi nghiên cứu đặc tính tích điện và phóng điện của LiFePO4 ở nhiệt độ thấp, Gu Yijie et al. nhận thấy rằng hiệu suất Coulombic của nó giảm lần lượt từ 100% ở 55oC xuống 96% ở 0oC và 64% ở -20oC; Điện áp phóng điện giảm từ 3,11V ở 55oC xuống 2,62V ở -20oC.

Xing và cộng sự. đã sửa đổi LiFePO4 bằng nanocarbon và nhận thấy rằng việc bổ sung các chất dẫn điện nanocarbon làm giảm độ nhạy của hiệu suất điện hóa của LiFePO4 với nhiệt độ và cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ thấp; Điện áp phóng điện của LiFePO4 biến tính giảm từ 3,40V ở 25oC xuống 3,09V ở -25oC, với mức giảm chỉ 9,12%; Và hiệu suất pin của nó là 57,3% ở -25oC, cao hơn 53,4% khi không có chất dẫn điện nanocarbon.

Gần đây, LiMnPO4 đã thu hút được sự quan tâm mạnh mẽ của mọi người. Nghiên cứu cho thấy LiMnPO4 có những ưu điểm như điện thế cao (4.1V), không gây ô nhiễm, giá thành thấp và dung lượng riêng lớn (170mAh/g). Tuy nhiên, do độ dẫn ion của LiMnPO4 thấp hơn so với LiFePO4 nên Fe thường được sử dụng để thay thế một phần Mn để tạo thành dung dịch rắn LiMn0.8Fe0.2PO4 trong thực tế.

Đặc tính nhiệt độ thấp của vật liệu điện cực âm cho pin lithium-ion