जाडोमा लिथियम ब्याट्रीको क्षमता किन घट्छ ? अन्तमा, कसैले व्याख्या गर्न सक्छ!

जाडोमा किन घट्छ लिथियम ब्याट्रीको क्षमता ? अन्तमा, कसैले व्याख्या गर्न सक्छ!

बजारमा प्रवेश गरेदेखि, लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू तिनीहरूका फाइदाहरू जस्तै लामो आयु, ठूलो विशिष्ट क्षमता, र कुनै मेमोरी प्रभावको कारणले व्यापक रूपमा प्रयोग भएको छ। कम तापक्रममा प्रयोग हुने लिथियम आयन ब्याट्रीहरूमा कम क्षमता, गम्भीर क्षीणता, खराब साइकल प्रदर्शन, स्पष्ट लिथियम इभोलुसन, र असन्तुलित लिथियम हटाउने र घुसाउने जस्ता समस्याहरू हुन्छन्। यद्यपि, अनुप्रयोग क्षेत्रहरूको निरन्तर विस्तारको साथ, लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको खराब कम-तापमान प्रदर्शनको कारणले गर्दा अवरोधहरू बढ्दो रूपमा स्पष्ट हुँदैछन्।

रिपोर्टहरूका अनुसार -20 डिग्री सेल्सियसमा लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको डिस्चार्ज क्षमता कोठाको तापक्रमको लगभग 31.5% मात्र हुन्छ। परम्परागत लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू -20 ~ + 55 ℃ बीचको तापक्रममा काम गर्छन्। यद्यपि, एयरोस्पेस, सैन्य, र विद्युतीय सवारीहरू जस्ता क्षेत्रहरूमा ब्याट्रीहरू सामान्य रूपमा -40 ℃ मा सञ्चालन गर्न आवश्यक छ। त्यसकारण, लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान गुणहरू सुधार गर्नु महत्त्वपूर्ण छ।

लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शनलाई सीमित गर्ने कारकहरू

• कम तापक्रमको वातावरणमा, इलेक्ट्रोलाइटको चिपचिपाहट बढ्छ र आंशिक रूपमा ठोस हुन्छ, जसले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको चालकतामा कमी निम्त्याउँछ।
• इलेक्ट्रोलाइट, नकारात्मक इलेक्ट्रोड, र विभाजक बीचको अनुकूलता कम तापमान वातावरणमा बिग्रन्छ।
• कम तापमान अवस्थाहरूमा, लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको नकारात्मक इलेक्ट्रोडले गम्भीर लिथियम वर्षाको अनुभव गर्दछ, र अवक्षेपित धातु लिथियमले इलेक्ट्रोलाइटसँग प्रतिक्रिया गर्दछ, परिणामस्वरूप उत्पादनहरू जम्मा हुन्छ जसले ठोस-राज्य इलेक्ट्रोलाइट इन्टरफेस (SEI) को मोटाई बढाउँछ।
• कम-तापमान वातावरणमा, लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको सक्रिय सामग्री भित्र फैलावट प्रणाली घट्छ, र चार्ज ट्रान्सफर प्रतिबाधा (Rct) उल्लेखनीय रूपमा बढ्छ।

लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शनलाई असर गर्ने कारकहरूमा छलफल

विशेषज्ञ दृष्टिकोण 1: इलेक्ट्रोलाइटले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शनमा सबैभन्दा ठूलो प्रभाव पार्छ, र इलेक्ट्रोलाइटको संरचना र भौतिक रासायनिक गुणहरूले ब्याट्रीको कम-तापमान प्रदर्शनमा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छ। कम तापक्रममा ब्याट्रीको साइकल चलाउँदा सामना गर्ने समस्या भनेको इलेक्ट्रोलाइटको चिपचिपापन बढ्नेछ, आयन प्रवाहको गति सुस्त हुनेछ, जसले बाह्य सर्किटको इलेक्ट्रोन माइग्रेसन गतिमा बेमेलको कारणले गर्दा ब्याट्रीको गम्भीर ध्रुवीकरण हुन्छ र चार्ज निर्वहन क्षमतामा तीव्र कमी। विशेष गरी कम तापक्रममा चार्ज गर्दा, लिथियम आयनहरूले सजिलैसँग नकारात्मक इलेक्ट्रोड सतहमा लिथियम डेन्ड्राइटहरू बनाउन सक्छ, जसले ब्याट्री विफलता निम्त्याउँछ।

इलेक्ट्रोलाइट्स को कम-तापमान प्रदर्शन नजिकको इलेक्ट्रोलाइट को चालकता संग सम्बन्धित छ। उच्च चालकता ढुवानी आयनहरू भएका इलेक्ट्रोलाइटहरू छिट्टै र कम तापक्रममा बढी क्षमता प्रयोग गर्न सक्छन्। इलेक्ट्रोलाइटमा जति धेरै लिथियम लवणहरू अलग हुन्छन्, त्यति नै तिनीहरू माइग्रेट हुन्छन् र तिनीहरूको चालकता उच्च हुन्छ। उच्च चालकता र आयन प्रवाह दर छिटो, ध्रुवीकरण सानो, र कम तापमान मा ब्याट्री को प्रदर्शन राम्रो। त्यसकारण, लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको राम्रो कम-तापमान प्रदर्शन प्राप्त गर्न उच्च चालकता आवश्यक अवस्था हो।

इलेक्ट्रोलाइटको चालकता यसको संरचनासँग सम्बन्धित छ, र विलायकको चिपचिपाहट घटाउनु इलेक्ट्रोलाइटको चालकता सुधार गर्ने तरिकाहरू मध्ये एक हो। कम तापक्रममा विलायकहरूको राम्रो प्रवाह योग्यता आयन यातायातको लागि ग्यारेन्टी हो, र कम तापक्रममा नकारात्मक इलेक्ट्रोडमा इलेक्ट्रोलाइटद्वारा बनेको ठोस इलेक्ट्रोलाइट फिल्म पनि लिथियम आयन प्रवाहलाई असर गर्ने एक प्रमुख कारक हो, र RSEI लिथियमको मुख्य प्रतिबाधा हो। कम-तापमान वातावरणमा आयन ब्याट्रीहरू।

विशेषज्ञ २: लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शनलाई सीमित गर्ने मुख्य कारक भनेको SEI झिल्लीहरूको सट्टा कम तापक्रममा द्रुत रूपमा बढ्दो Li+ प्रसार प्रतिबाधा हो।

लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको लागि सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीको कम तापमान विशेषताहरू

1. स्तरित सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री को कम तापमान विशेषताहरु

एक-आयामी लिथियम-आयन प्रसार च्यानलहरू र तीन-आयामी च्यानलहरूको संरचनात्मक स्थिरताको तुलनामा अतुलनीय दर प्रदर्शनको साथ तह संरचना, लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको लागि सबैभन्दा पुरानो व्यावसायिक रूपमा उपलब्ध क्याथोड सामग्री हो। यसको प्रतिनिधि पदार्थहरूमा LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2, र Li (Ni, Co, Mn) O2 समावेश छन्।
Xie Xiaohua et al। अनुसन्धान वस्तुको रूपमा LiCoO2/MCMB को कम-तापमान चार्जिङ र डिस्चार्जिङ विशेषताहरू परीक्षण गरियो।
नतिजाहरूले देखाउँदछ कि तापक्रम घट्दै जाँदा, डिस्चार्ज पठार 3.762V (0 ℃) बाट 3.207V (-30 ℃) मा घट्छ; कुल ब्याट्री क्षमता पनि 78.98mA · h (0 ℃) बाट 68.55mA · h (-30 ℃) मा तीव्र रूपमा घटेको छ।

2. स्पिनल संरचना सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री को कम तापमान विशेषताहरु

स्पिनल संरचित LiMn2O4 क्याथोड सामग्रीसँग कम लागत र गैर-विषाक्तताको फाइदाहरू छन् यसको सह तत्वको अनुपस्थितिको कारण।
यद्यपि, Mn को चर भ्यालेन्स अवस्थाहरू र Mn3+ को Jahn Teller प्रभावले संरचनात्मक अस्थिरता र यस घटकको कमजोर उल्टोपनमा परिणाम दिन्छ।
Peng Zhengshun et al। विभिन्न तयारी विधिहरूले LiMn2O4 क्याथोड सामग्रीको इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शनमा ठूलो प्रभाव पार्छ भनेर औंल्याए। Rct लाई उदाहरणको रूपमा लिनुहोस्: उच्च-तापमान ठोस चरण विधिद्वारा संश्लेषित LiMn2O4 को Rct सोल जेल विधिद्वारा संश्लेषित गरिएको भन्दा उल्लेखनीय रूपमा उच्च छ, र यो घटना लिथियम आयन प्रसार गुणांकमा पनि प्रतिबिम्बित हुन्छ। यसको मुख्य कारण यो हो कि विभिन्न संश्लेषण विधिहरूले उत्पादनहरूको क्रिस्टलिनिटी र आकृति विज्ञानमा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छ।

3. फस्फेट प्रणाली सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री को कम तापमान विशेषताहरु

LiFePO4, टर्नरी सामग्रीहरू सहित, यसको उत्कृष्ट मात्रा स्थिरता र सुरक्षाको कारणले पावर ब्याट्रीहरूको लागि मुख्य क्याथोड सामग्री भएको छ। लिथियम आइरन फस्फेटको खराब कम तापमान प्रदर्शन मुख्यतया हो किनभने यसको सामग्री आफैंमा एक इन्सुलेटर हो, कम इलेक्ट्रोनिक चालकता, खराब लिथियम आयन प्रसार, र कम तापमानमा खराब चालकता, जसले ब्याट्रीको आन्तरिक प्रतिरोध बढाउँछ, ध्रुवीकरणलाई धेरै असर गर्छ, र ब्याट्रीको चार्ज र डिस्चार्जमा बाधा पुर्‍याउँछ। त्यसैले, कम तापमान प्रदर्शन आदर्श छैन।
गु यिजी एट अल। LiFePO4 को कूलम्बिक दक्षता 100% बाट 55 ℃ मा 0 ℃ मा 96% र -20 ℃ मा 64% मा क्रमशः घटेको फेला पर्‍यो, जब कम तापमानमा यसको चार्ज डिस्चार्ज व्यवहार अध्ययन गर्दा; डिस्चार्ज भोल्टेज 55 ℃ मा 3.11V बाट -20 ℃ मा 2.62V मा घट्छ।
Xing et al। LiFePO4 परिमार्जन गर्न नानो कार्बन प्रयोग गर्‍यो र पत्ता लगायो कि न्यानो कार्बन कन्डक्टिभ एजेन्टहरू थप्दा LiFePO4 को इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शनको तापमानमा संवेदनशीलता घट्यो र यसको कम-तापमान कार्यसम्पादनमा सुधार भयो; परिमार्जित LiFePO4 को डिस्चार्ज भोल्टेज 3.40V बाट 25 ℃ मा 3.09V मा -25 ℃ मा घट्यो, केवल 9.12% को कमी संग; र यसको ब्याट्री दक्षता -25 ℃ मा 57.3% छ, नानो कार्बन कन्डक्टिव एजेन्ट बिना 53.4% ​​भन्दा बढी।
भर्खरै, LiMnPO4 ले मानिसहरूमा कडा चासो जगाएको छ। अनुसन्धानले पत्ता लगायो कि LiMnPO4 सँग उच्च क्षमता (4.1V), कुनै प्रदूषण, कम मूल्य, र ठूलो विशिष्ट क्षमता (170mAh/g) जस्ता फाइदाहरू छन्। यद्यपि, LiMnPO4 सँग LiFePO4 भन्दा कम आयनिक चालकता भएको कारणले, यो प्रायः व्यवहारमा आंशिक रूपमा Mn लाई Fe ले प्रतिस्थापन गर्न LiMn0.8Fe0.2PO4 ठोस समाधान बनाउन प्रयोग गरिन्छ।

लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको लागि नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीको कम तापमान विशेषताहरू

सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीको तुलनामा, लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूमा नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीहरूको कम-तापमान बिग्रने मुख्यतया निम्न तीन कारणहरूले गर्दा बढी गम्भीर हुन्छ:

• कम तापक्रम र उच्च दर चार्ज र डिस्चार्जको समयमा, ब्याट्री ध्रुवीकरण गम्भीर हुन्छ, र नकारात्मक इलेक्ट्रोड सतहमा लिथियम धातुको ठूलो मात्रा जम्मा हुन्छ, र लिथियम धातु र इलेक्ट्रोलाइट बीचको प्रतिक्रिया उत्पादनहरूमा सामान्यतया चालकता हुँदैन;
• थर्मोडायनामिक परिप्रेक्ष्यबाट, इलेक्ट्रोलाइटले धेरै संख्यामा ध्रुवीय समूहहरू समावेश गर्दछ जस्तै C-O र C-N, जसले नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीसँग प्रतिक्रिया गर्न सक्छ, परिणामस्वरूप SEI फिल्महरू कम तापमानमा बढी संवेदनशील हुन्छन्;
• कम तापमानमा कार्बन नकारात्मक इलेक्ट्रोडहरूमा लिथियम इम्बेड गर्न गाह्रो छ, परिणामस्वरूप असममित चार्ज र डिस्चार्ज।

कम तापमान इलेक्ट्रोलाइट्स मा अनुसन्धान

इलेक्ट्रोलाइटले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूमा Li+ प्रसारणमा भूमिका खेल्छ, र यसको आयन चालकता र SEI फिल्म निर्माण कार्यले ब्याट्रीको कम-तापमान प्रदर्शनमा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छ। कम-तापमान इलेक्ट्रोलाइटको गुणस्तर निर्धारण गर्न तीन मुख्य संकेतकहरू छन्: आयन चालकता, इलेक्ट्रोकेमिकल सञ्झ्याल, र इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया गतिविधि। यी तीन सूचकहरूको स्तर धेरै हदसम्म तिनीहरूको घटक सामग्रीमा निर्भर गर्दछ: सॉल्भेन्ट्स, इलेक्ट्रोलाइट्स (लिथियम लवण), र additives। त्यसकारण, इलेक्ट्रोलाइटका विभिन्न भागहरूको कम-तापमान प्रदर्शनको अध्ययन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शनलाई बुझ्न र सुधार गर्नको लागि ठूलो महत्त्वको छ।

• चेन कार्बोनेटको तुलनामा, EC आधारित इलेक्ट्रोलाइटहरूसँग कम्प्याक्ट संरचना, उच्च बल, र उच्च पिघलने बिन्दु र चिपचिपापन हुन्छ। यद्यपि, गोलाकार संरचनाले ल्याएको ठूलो ध्रुवताले प्रायः ठूलो डाइइलेक्ट्रिक स्थिरतातर्फ लैजान्छ। उच्च डाइलेक्ट्रिक स्थिरता, उच्च आयनिक चालकता, र EC सॉल्भेन्टहरूको उत्कृष्ट फिल्म-निर्माण प्रदर्शनले विलायक अणुहरूको सह सम्मिलनलाई प्रभावकारी रूपमा रोक्छ, तिनीहरूलाई अपरिहार्य बनाउँछ। त्यसकारण, प्राय: प्रयोग हुने कम-तापमान इलेक्ट्रोलाइट प्रणालीहरू EC मा आधारित हुन्छन् र कम पिघलने बिन्दु सानो अणु सॉल्भेन्टहरूसँग मिसाइन्छ।
• 
  
• लिथियम लवण इलेक्ट्रोलाइट्स को एक महत्वपूर्ण घटक हो। इलेक्ट्रोलाइट्समा लिथियम लवणले समाधानको आयनिक चालकता मात्र सुधार गर्न सक्दैन, तर समाधानमा Li+ को प्रसार दूरी पनि कम गर्न सक्छ। सामान्यतया, समाधानमा Li+ को सांद्रता जति उच्च हुन्छ, यसको आयनिक चालकता त्यति नै बढी हुन्छ। यद्यपि, इलेक्ट्रोलाइटमा लिथियम आयनको एकाग्रता लिथियम लवणको एकाग्रतासँग रैखिक रूपमा सहसंबद्ध छैन, बरु एक प्याराबोलिक आकारमा। यो किनभने विलायकमा लिथियम आयनहरूको एकाग्रता विलायकमा लिथियम लवणको पृथक्करण र एसोसिएशनको बलमा निर्भर गर्दछ।

ब्याट्री संरचनाको अतिरिक्त, व्यावहारिक सञ्चालनमा प्रक्रिया कारकहरूले पनि ब्याट्री प्रदर्शनमा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्न सक्छ।

(1) तयारी प्रक्रिया। याकूब र अन्य। LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शनमा इलेक्ट्रोड लोड र कोटिंग मोटाईको प्रभावहरूको अध्ययन गर्‍यो र पत्ता लगायो कि क्षमता अवधारणको सन्दर्भमा, इलेक्ट्रोड लोड जति सानो हुन्छ, कोटिंग तह पातलो हुन्छ, र राम्रो हुन्छ। यसको कम-तापमान प्रदर्शन।

(2) चार्ज र डिस्चार्ज स्थिति। Petzl et al। ब्याट्रीको चक्र जीवनमा कम-तापमान चार्ज र डिस्चार्ज अवस्थाको प्रभावको अध्ययन गर्‍यो र पत्ता लगायो कि जब डिस्चार्ज गहिराई ठूलो हुन्छ, यसले महत्त्वपूर्ण क्षमता हानि गर्छ र चक्रको जीवन घटाउँछ।

(3) अन्य कारकहरू। सतह क्षेत्र, छिद्र आकार, इलेक्ट्रोड घनत्व, इलेक्ट्रोड र इलेक्ट्रोलाइट बीचको भिजेको क्षमता, र इलेक्ट्रोडको विभाजक सबैले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शनलाई असर गर्छ। थप रूपमा, ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शनमा सामग्री र प्रक्रियाहरूमा त्रुटिहरूको प्रभावलाई बेवास्ता गर्न सकिँदैन।

संक्षेप गर्नुहोस्

लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको कम-तापमान प्रदर्शन सुनिश्चित गर्न, यो निम्न गर्न आवश्यक छ:

(1) पातलो र घने SEI फिल्म बनाउँदै;

(२) सक्रिय पदार्थमा Li+ को ठूलो प्रसार गुणांक छ भन्ने सुनिश्चित गर्नुहोस्;

(३) कम तापक्रममा इलेक्ट्रोलाइटमा उच्च आयनिक चालकता हुन्छ।

थप रूपमा, अनुसन्धानले नयाँ मार्गहरू पनि पत्ता लगाउन सक्छ र अर्को प्रकारको लिथियम-आयन ब्याट्रीमा फोकस गर्न सक्छ - सबै ठोस-राज्य लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू। परम्परागत लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको तुलनामा, सबै ठोस-राज्य लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू, विशेष गरी सबै ठोस-राज्य पातलो फिल्म लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू, कम तापक्रममा प्रयोग हुने ब्याट्रीहरूको क्षमता घटाउने र साइकल चलाउने सुरक्षा समस्याहरूलाई पूर्ण रूपमा समाधान गर्ने अपेक्षा गरिन्छ।