Mètode de millora del rendiment de la bateria de ions de liti a baixa temperatura

Els principals factors del baix rendiment de les bateries de ions de liti a baixa temperatura encara es debaten. Els motius principals són: la viscositat de l’electròlit augmenta a baixes temperatures i la conductivitat disminueix; augmenten la resistència de la membrana de la interfície electròlit / elèctrode i la resistència a la transferència de càrrega; els ions de liti es troben al cos del material actiu. La taxa de migració del medi disminueix. Com a resultat, la polarització de l’elèctrode a baixes temperatures augmenta i disminueix la capacitat de càrrega i descàrrega.

Durant la càrrega a baixa temperatura de les bateries de ions de liti, especialment durant la càrrega de baixa velocitat a baixa temperatura, es produirà precipitació i deposició de liti metall a l’elèctrode negatiu. El liti metàl·lic dipositat és fàcil de reaccionar irreversiblement amb l'electròlit i consumeix una gran quantitat d'electròlit. Al mateix temps, s’augmenta encara més el gruix de la pel·lícula SEI, la qual cosa augmenta la impedància de la pel·lícula negativa de la superfície de l’elèctrode de la bateria i augmenta de nou la polarització de la bateria, cosa que perjudicarà molt el rendiment a baixa temperatura. vida útil del cicle i rendiment de seguretat de la bateria.

Mètode de millora del rendiment de la bateria de ions de liti a baixa temperatura. Mètode de modificació per millorar el rendiment de la bateria a baixa temperatura des de tres aspectes: elèctrode positiu, electròlit i elèctrode negatiu.

1. Material càtode

Les maneres principals de millorar el rendiment de difusió iònica dels materials del càtode a baixa temperatura són:

1 El mètode de recobriment superficial del cos del material actiu amb materials de conductivitat excel·lent millora la conductivitat de la interfície del material de l'elèctrode positiu, redueix la impedància de la interfície, alhora que redueix les reaccions laterals del material de l'elèctrode positiu i l'electròlit i estabilitza l'estructura del material.

2 El cos del material es dopa a granel amb Mn, Al, Cr, Mg, F i altres elements, i l’espai entre les capes del material augmenta per augmentar la velocitat de difusió de Li + al cos, reduir-ne la difusió resistència de Li + i millorar el rendiment de la bateria a baixa temperatura.

3 Reduïu la mida de les partícules del material i escurceu el camí de migració de Li +. Cal assenyalar que aquest mètode augmentarà l'àrea superficial específica del material i augmentarà la reacció lateral amb l'electròlit.

2. Electròlit

Com a part important de la bateria de ions de liti, l’electròlit no només determina la taxa de migració de Li + en la fase líquida, sinó que també participa en la formació de la pel·lícula SEI, que té un paper clau en el rendiment de la pel·lícula SEI. A baixes temperatures, augmenta la viscositat de l’electròlit, disminueix la conductivitat, augmenta la impedància de la pel·lícula SEI i es deteriora la compatibilitat amb els materials positius i negatius, cosa que deteriora molt la densitat d’energia i el rendiment del cicle de la bateria.

En l'actualitat, hi ha dues maneres de millorar el rendiment a baixa temperatura mitjançant l'electròlit:

(1) Millorar la conductivitat de l’electròlit a baixa temperatura optimitzant la composició del dissolvent i utilitzant noves sals d’electròlit;

(2) Utilitzeu nous additius per millorar les propietats de la pel·lícula SEI, cosa que la condueix a la conducció de Li + a baixes temperatures.

1 Optimitzar la composició del dissolvent

El rendiment a baixa temperatura de l’electròlit es determina principalment pel seu punt eutèctic a baixa temperatura. Si el punt de fusió és massa alt, l’electròlit és fàcil de cristal·litzar a baixes temperatures, cosa que afectarà greument la conductivitat de l’electròlit. El carbonat d’etilè (EC) és el principal component solvent de l’electròlit, però el seu punt de fusió és de 36 ° C, i la seva solubilitat en l’electròlit disminueix o fins i tot precipita a baixes temperatures, cosa que té un impacte més gran en el rendiment de pila. Si s’afegeixen components de baix punt de fusió i baixa viscositat per reduir el contingut en dissolvents d’EC, es pot reduir eficaçment la viscositat i el punt eutèctic de l’electròlit a baixes temperatures i es pot millorar la conductivitat de l’electròlit.

2 Nova sal electrolítica

La sal electrolítica és un dels components importants de l’electròlit, i també és un factor clau per obtenir un rendiment excel·lent a baixa temperatura. Actualment, la sal electrolítica comercial és hexafluorofosfat de liti i la pel·lícula SEI formada té una gran impedància, cosa que resulta en un rendiment de baixa temperatura. El desenvolupament d’un nou tipus de sal de liti és imminent. El tetrafluoroborat de liti té un radi d’anions reduït, és fàcil d’associar i té una conductivitat més baixa que el LiPF6, però té una baixa resistència a la transferència de càrrega a baixes temperatures i té un bon rendiment a baixa temperatura com a sal electrolítica.

3 additius

La pel·lícula SEI té un efecte molt important en el rendiment de la bateria a baixa temperatura. És un conductor iònic i un aïllant electrònic i és un canal perquè Li + arribi a la superfície de l'elèctrode des de la fase líquida. A baixes temperatures, la impedància de la pel·lícula SEI augmenta i la velocitat de difusió de Li + a la pel·lícula SEI disminueix bruscament, cosa que aprofundeix l'acumulació de càrregues a la superfície de l'elèctrode, resultant en una disminució del liti capacitat d’inserció del grafit i augment de la polarització. En optimitzar la composició i les condicions de formació de la pel·lícula de la pel·lícula SEI, millorar la conductivitat iònica de la pel·lícula SEI a baixes temperatures és beneficiós per a la millora del rendiment de la bateria a baixa temperatura. Per tant, el desenvolupament d’additius formadors de pel·lícules amb un excel·lent rendiment a baixa temperatura és un punt de recerca actual.

En resum, la conductivitat i la resistència a la formació de pel·lícules de l’electròlit tenen una influència important en el rendiment a baixa temperatura de les bateries de ions de liti. Per a l'electròlit a baixa temperatura, s'hauria d'optimitzar de manera exhaustiva des de tres aspectes: sistema de dissolvents d'electròlits, sal de liti i additius. Per al dissolvent electrolític, s’ha de seleccionar un sistema dissolvent amb baix punt de fusió, baixa viscositat i alta constant dielèctrica. Els dissolvents lineals de carboxilat tenen un excel·lent rendiment a baixa temperatura, però tenen un impacte més gran en el rendiment del cicle i necessiten fer coincidir l’àcid carbònic cíclic amb una alta dielèctrica constant Mescla d’èsters com EC i PC; per a les sals i additius de liti, la consideració principal és reduir la resistència a la formació de pel·lícules i augmentar la taxa de migració dels ions de liti. A més, augmentar adequadament la concentració de sal de liti a baixes temperatures pot augmentar la conductivitat de l’electròlit i augmentar el rendiment a baixa temperatura.

3. Material d'ànode

El deteriorament de les condicions cinètiques de difusió dels ions de liti en materials d’ànode de carboni és el principal motiu que limita el rendiment a baixa temperatura de les bateries de ions de liti. Per tant, la polarització electroquímica de l’ànode s’intensifica significativament durant el procés de càrrega, cosa que condueix fàcilment a la precipitació de liti metàl·lic a la superfície de l’ànode.

L’elecció d’un material ànode adequat és un factor clau per millorar el rendiment de la bateria a baixa temperatura. Actualment, l’optimització del rendiment a baixa temperatura es duu a terme principalment mitjançant mètodes de tractament superficial de l’ànode, recobriment superficial, dopatge per augmentar l’espaiat de la capa i el control de la mida de les partícules.

1 tractament superficial

El tractament superficial inclou l’oxidació superficial i la fluoració. El tractament de superfícies pot reduir els llocs actius a la superfície de grafit, reduir la pèrdua de capacitat irreversible i generar més porus d’estructura micro-nano, cosa que condueix a la transmissió de Li + i redueix la impedància.

2 Recobriment superficial

Els recobriments superficials, com ara el recobriment de carboni i el recobriment metàl·lic, no només poden evitar el contacte directe entre l’elèctrode negatiu i l’electròlit, millorar la compatibilitat de l’electròlit i l’elèctrode negatiu, sinó també augmentar la conductivitat del grafit, proporcionar més llocs d’inserció de liti i fer Reducció de capacitat irreversible. A més, l’espaiat entre capes de carboni tou o material de carboni dur és més gran que el del grafit. El recobriment d’una capa de carboni tou o de material de carboni dur a l’elèctrode negatiu facilita la difusió dels ions de liti i redueix la resistència de la pel·lícula SEI, millorant així el rendiment de la bateria a baixa temperatura. El recobriment superficial d’una petita quantitat d’Ag millora la conductivitat del material de l’elèctrode negatiu, cosa que fa que tingui un excel·lent rendiment electroquímic a baixes temperatures.

3 Augmenteu l’espaiat entre capes de grafit

L'ànode de grafit té un petit espaiat entre capes i la velocitat de difusió dels ions de liti entre capes de grafit a baixes temperatures disminueix, cosa que provoca una polarització augmentada. La introducció de B, N, S, K i altres elements en el procés de preparació del grafit pot modificar l’estructura del grafit i augmentar. L’espaiat entre capes del grafit millora la seva capacitat per alliberar / intercalar liti. El radi atòmic de P (0,106 pm) és més gran que el de C (0,077 pm). El dopatge P pot augmentar l’espaiat entre capes del grafit, millorar la capacitat de difusió dels ions de liti i, possiblement, millorar-lo. El contingut de cristal·lites de grafit en materials de carboni. La introducció de K al material de carboni formarà el compost d’intercalació KC8. Quan s’elimina el potassi, l’espai entre les capes del material de carboni augmentarà, cosa que és beneficiosa per a la ràpida inserció de liti, millorant així el rendiment de la bateria a baixa temperatura.

4 Controleu la mida de les partícules d'elèctrodes negatius

Com més gran sigui la mida de les partícules de l'elèctrode negatiu, més llarg serà el recorregut de difusió dels ions de liti i major serà la resistència a la difusió, la qual cosa condueix a una polarització de la concentració augmentada i a un rendiment de baixa temperatura. Per tant, reduir adequadament la mida de les partícules del material d’elèctrodes negatius pot reduir eficaçment la distància de migració dels ions de liti entre les capes de grafit, reduir la resistència a la difusió, augmentar la zona d’infiltració d’electròlits i millorar el rendiment de la bateria a baixa temperatura. A més, l’elèctrode negatiu de grafit granulat per una partícula petita de mida petita té una isotropia més alta, pot proporcionar més llocs d’inserció de liti, reduir la polarització i millorar significativament el rendiment de la bateria a baixa temperatura.

El rendiment a baixa temperatura de les bateries de ions de liti és un factor clau que restringeix l’aplicació de les bateries de liti. La millora del rendiment de les bateries de liti a baixa temperatura segueix sent un punt calent i difícil de la investigació actual. Per millorar el rendiment de les bateries de liti a baixa temperatura, s’ha de tenir en compte la influència de factors complets com l’elèctrode positiu, l’elèctrode negatiu i l’electròlit de la bateria. Mitjançant l’optimització del dissolvent de l’electròlit, els additius i la composició de la sal de liti, es millora la conductivitat de l’electròlit i es redueix la resistència a la formació de la pel·lícula; El material de l'elèctrode se sotmet a tractaments de modificació com ara dopatge, recobriment i granulació per optimitzar l'estructura del material i reduir la resistència de la interfície i la resistència a la difusió de Li + al cos del material actiu. Mitjançant l’optimització general del sistema de bateries, es redueix la polarització de la bateria de liti a baixes temperatures i es millora encara més el rendiment de la bateria a baixa temperatura.