Fremgangsmåde til forbedring af ydeevne til lithium-ion-batterier ved lav temperatur

De vigtigste faktorer for den dårlige ydeevne ved lav temperatur på lithium-ion-batterier drøftes stadig. Hovedårsagerne er: elektrolytens viskositet stiger ved lave temperaturer, og ledningsevnen falder; elektrolyt / elektrode-interface-membranmodstand og ladningsoverførselsmodstand øges; lithiumioner er i det aktive stoflegeme Migrationshastigheden i mediet falder. Som et resultat øges elektrodepolarisationen ved lave temperaturer, og opladnings- og afladningskapaciteten falder.

Under lavtemperaturopladning af lithiumionbatterier, især under lavtemperaturopladning med høj hastighed, vil lithiummetaludfældning og -aflejring forekomme i den negative elektrode. Det aflejrede metal-lithium er let at irreversibelt reagere med elektrolytten og bruger en stor mængde elektrolyt. På samme tid øges tykkelsen af ​​SEI-filmen yderligere, hvilket resulterer i Impedansen af ​​den negative elektrodeoverfladefilm af batteriet øges yderligere, og polarisationen af ​​batteriet stiger igen, hvilket i høj grad vil skade ydelsen ved lav temperatur, batteriets levetid og sikkerhedsydelse.

Metode til forbedring af lithium-ion-batteriets ydeevne-metode En modifikationsmetode til forbedring af batteriets ydeevne ved lave temperaturer fra tre aspekter: positiv elektrode, elektrolyt og negativ elektrode.

1. Katodemateriale

De almindelige måder at forbedre iondiffusionsydelsen på katodematerialer ved lav temperatur er:

1 Overfladebelægningsmetoden for det aktive materialelegeme med fremragende ledningsevnematerialer forbedrer ledningsevnen for det positive elektrodemateriale-interface, reducerer interface-impedansen, samtidig med at det reducerer sidereaktionerne af det positive elektrodemateriale og elektrolytten og stabiliserer materialestrukturen.

2 Det materielle legeme er doteret i bulk med Mn, Al, Cr, Mg, F og andre elementer, og lagafstanden af ​​materialet øges for at øge diffusionshastigheden af ​​Li + i kroppen, reducere diffusionen modstand af Li + og forbedre batteriets ydeevne ved lave temperaturer.

3 Reducer materialepartikelstørrelsen, og afkort Li-migrationsstien +. Det skal påpeges, at denne metode vil øge materialets specifikke overfladeareal og øge sidereaktionen med elektrolytten.

2. Elektrolyt

Som en vigtig del af lithiumionbatteriet bestemmer elektrolytten ikke kun migrationshastigheden for Li + i væskefasen, men deltager også i dannelsen af ​​SEI-filmen, som spiller en nøglerolle i udførelsen af SEI-filmen. Ved lave temperaturer øges elektrolytens viskositet, ledningsevnen falder, SEI-filmens impedans øges, og kompatibiliteten med de positive og negative materialer forringes, hvilket forværrer energitætheden og batteriets ydeevne betydeligt.

På nuværende tidspunkt er der to måder at forbedre ydeevnen ved lav temperatur gennem elektrolyt på:

(1) Forbedre elektrolyttens lave temperatur ledningsevne ved at optimere sammensætningen af ​​opløsningsmidlet og anvende nye elektrolytsalte;

(2) Brug nye additiver til at forbedre SEI-filmens egenskaber, hvilket gør den befordrende for Li + - ledning ved lave temperaturer.

1 Optimer opløsningsmidlets sammensætning

Elektrolytens ydeevne ved lav temperatur bestemmes hovedsageligt af dens eutektiske lavtemperaturpunkt. Hvis smeltepunktet er for højt, er elektrolytten let at krystallisere ved lave temperaturer, hvilket alvorligt vil påvirke elektrolytens ledningsevne. Ethylencarbonat (EC) er den vigtigste opløsningsmiddelkomponent i elektrolytten, men dens smeltepunkt er 36 ° C, og dets opløselighed i elektrolytten falder eller endog udfældes ved lave temperaturer, hvilket har større indflydelse på ydeevnen ved lav temperatur batteri. Ved at tilsætte komponenter med lavt smeltepunkt og lav viskositet for at reducere opløsningsmidlets EC-indhold kan viskositeten og det eutektiske punkt for elektrolytten ved lave temperaturer reduceres effektivt, og elektrolytens ledningsevne kan forbedres.

2 Nyt elektrolytsalt

Elektrolytsalt er en af ​​de vigtige komponenter i elektrolyten, og det er også en nøglefaktor for at opnå fremragende ydeevne ved lave temperaturer. På nuværende tidspunkt er det kommercielle elektrolytsalt lithiumhexafluorphosphat, og den dannede SEI-film har en stor impedans, hvilket resulterer i dårlig ydelse ved lav temperatur. Udviklingen af ​​en ny type lithiumsalt er nært forestående. Lithiumtetrafluorborat har en lille anionradius, er let at forbinde og har en lavere ledningsevne end LiPF6, men har en lav ladningsoverførselsmodstand ved lave temperaturer og har god lavtemperaturydelse som et elektrolytsalt.

3 tilsætningsstoffer

SEI-filmen har en meget vigtig effekt på batteriets lave temperaturer. Det er en ionleder og en elektronisk isolator, og det er en kanal for Li + at nå elektrodeoverfladen fra væskefasen. Ved lave temperaturer stiger SEI-filmens impedans, og diffusionshastigheden af ​​Li + i SEI-filmen falder kraftigt, hvilket uddyber akkumuleringen af ​​ladninger på overfladen af ​​elektroden, hvilket resulterer i et fald i lithium grafitens indsætningskapacitet og en stigning i polarisering. Ved at optimere SEI-filmens sammensætning og filmdannende betingelser er forbedring af SEI-filmens ioniske ledningsevne gunstig for forbedringen af ​​batteriets lave temperaturydelse. Derfor er udviklingen af ​​filmdannende additiver med fremragende ydeevne ved lave temperaturer et aktuelt forskningshotspot.

Sammenfattende har elektrolytens ledningsevne og filmdannende modstand en vigtig indflydelse på lavtemperaturpræstationen for lithium-ion-batterier. For lavtemperaturelektrolytten skal den optimeres ud fra tre aspekter: elektrolytopløsningsmiddelsystem, lithiumsalt og additiver. Til elektrolytopløsningsmidlet skal der vælges et opløsningsmiddelsystem med lavt smeltepunkt, lav viskositet og høj dielektrisk konstant. Lineære carboxylatopløsningsmidler har fremragende ydeevne ved lave temperaturer, men de har større indflydelse på cyklusydelsen og har brug for at matche den cykliske kulsyre med høj dielektrisk konstant Blanding af estere såsom EC og PC; for lithiumsalte og additiver er det vigtigste at reducere den filmdannende modstand og øge migrationshastigheden for lithiumioner. Desuden kan passende forøgelse af lithiumsaltkoncentrationen ved lave temperaturer øge elektrolytens ledningsevne og øge ydeevnen ved lave temperaturer.

3. Anodemateriale

Forringelsen af ​​diffusionskinetikbetingelserne for lithiumioner i kulstofanodematerialer er den vigtigste årsag, der begrænser lithium-ion-batteriernes ydeevne ved lav temperatur. Derfor intensiveres den elektrokemiske polarisering af anoden under opladningsprocessen, hvilket let fører til udfældning af metallisk lithium på overfladen af ​​anoden.

Valg af et passende anodemateriale er en nøglefaktor til at forbedre batteriets ydeevne ved lave temperaturer. På nuværende tidspunkt udføres optimeringen af ​​ydeevnen ved lave temperaturer hovedsageligt gennem fremgangsmåderne til overfladebehandling af anoden, overfladebelægning, doping for at øge lagafstanden og kontrol af partikelstørrelse.

1 Overfladebehandling

Overfladebehandling inkluderer overfladeoxidation og fluorering. Overfladebehandling kan reducere de aktive steder på grafitoverfladen, reducere irreversibelt kapacitetstab og kan generere mere mikro-nano struktur porer, hvilket er befordrende for Li + transmission og reducerer impedans.

2 Overfladebehandling

Overfladebelægninger såsom kulstofbelægning og metalbelægning kan ikke kun undgå direkte kontakt mellem den negative elektrode og elektrolytten, forbedrer kompatibiliteten af ​​elektrolytten og den negative elektrode, men øger også ledningsevnen for grafit, giver flere lithiumindsættelsessteder og gør Uoprettelig kapacitetsreduktion. Derudover er lagafstanden for blødt kulstof eller hårdt kulstofmateriale større end for grafit. Overtrækning af et lag blødt kulstof eller hårdt kulstofmateriale på den negative elektrode letter diffusion af lithiumioner og reducerer SEI-filmens modstand og forbedrer derved batteriets ydeevne ved lave temperaturer. Overfladebelægningen af ​​en lille mængde Ag forbedrer ledningsevnen af ​​det negative elektrodemateriale, hvilket gør det med fremragende elektrokemisk ydeevne ved lave temperaturer.

3 Forøg afstanden mellem grafitlag

Grafitanoden har en lille mellemlagsafstand, og diffusionshastigheden af ​​lithiumioner mellem grafitlag ved lave temperaturer falder, hvilket resulterer i øget polarisering. Introduktionen af ​​B, N, S, K og andre elementer i grafitforberedelsesprocessen kan ændre grafitstrukturen og øge Grafiets mellemlag mellem grafit forbedrer dens evne til at frigive / interkalere lithium. Atomeradius for P (0,106 pm) er større end C (0,077 pm). P-doping kan øge afstanden mellem lag af grafit, forbedre diffusionsevnen for lithiumioner og muligvis forbedre den. Indholdet af grafitkrystallitter i kulstofmaterialer. Indførelsen af ​​K i kulstofmaterialet vil danne intercalationsforbindelsen KC8. Når kalium fjernes, vil mellemlaget mellem kulstofmaterialet øges, hvilket er gavnligt for hurtig indsættelse af lithium og derved forbedrer batteriets ydeevne ved lave temperaturer.

4 Kontroller størrelsen på negative elektrodepartikler

Jo større den negative elektrodepartikelstørrelse er, jo længere er lithiumion-diffusionsvejen, og jo større er diffusionsmodstanden, hvilket fører til øget koncentrationspolarisering og dårlig ydeevne ved lav temperatur. Derfor kan en passende reduktion af partikelstørrelsen af ​​det negative elektrodemateriale effektivt forkorte migrationsafstanden for lithiumioner mellem grafitlagene, reducere diffusionsmodstanden, øge elektrolytinfiltrationsområdet og forbedre batteriets ydeevne ved lave temperaturer. Derudover har den grafitnegative elektrode granuleret med en lille partikelstørrelse enkeltpartikel højere isotropi, kan give flere lithiumindsættelsessteder, reducere polarisering og kan forbedre batteriets ydeevne ved lave temperaturer betydeligt.

Lavtemperaturydelsen for lithium-ion-batterier er en nøglefaktor, der begrænser anvendelsen af ​​lithium-batterier. Sådan forbedres lithiumbatteriets ydeevne ved lave temperaturer er stadig et varmt og vanskeligt punkt i den nuværende forskning. For at forbedre lithiumbatteriets ydeevne ved lav temperatur bør man overveje indflydelsen af ​​omfattende faktorer som den positive elektrode, den negative elektrode og elektrolytten i batteriet. Ved at optimere elektrolytopløsningsmidlet, additiver og lithiumsalt-sammensætning forbedres elektrolytens ledningsevne, og filmdannelsesmodstanden reduceres; Elektrodematerialet gennemgår modifikationsbehandlinger såsom doping, belægning og granulering for at optimere materialestrukturen og reducere grænseflademodstanden og diffusionsmodstanden af ​​Li + i det aktive materiale. Gennem den samlede optimering af batterisystemet reduceres polariseringen af ​​lithiumbatteriet ved lave temperaturer, og batteriets ydeevne ved lave temperaturer forbedres yderligere.