Phương pháp cải thiện hiệu suất pin lithium ion ở nhiệt độ thấp

Các yếu tố chính cho hiệu suất nhiệt độ thấp kém của pin lithium-ion vẫn còn gây tranh cãi. Những lý do chính là: độ nhớt của chất điện giải tăng ở nhiệt độ thấp và độ dẫn điện giảm; điện phân / điện cực giao diện màng kháng và tăng điện trở chuyển phí; các ion lithium nằm trong cơ thể vật liệu hoạt động Tỷ lệ di chuyển trong môi trường giảm. Kết quả là, sự phân cực điện cực ở nhiệt độ thấp tăng lên, và công suất sạc và xả giảm.

Trong quá trình sạc pin lithium-ion ở nhiệt độ thấp, đặc biệt là trong quá trình sạc ở nhiệt độ thấp, mưa và lắng đọng kim loại lithium sẽ xảy ra trong điện cực âm. Lithium kim loại lắng đọng rất dễ phản ứng không thể đảo ngược với chất điện phân và tiêu thụ một lượng lớn chất điện giải. Đồng thời, độ dày của màng SEI được tăng thêm, dẫn đến trở kháng của màng bề mặt điện cực âm của pin tiếp tục tăng lên, và sự phân cực của pin tăng trở lại, điều này sẽ làm hỏng đáng kể hiệu suất nhiệt độ thấp, tuổi thọ chu kỳ và hiệu suất an toàn của pin.

Phương pháp cải thiện hiệu suất pin lithium-ion ở nhiệt độ thấp Một phương pháp sửa đổi để cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin từ ba khía cạnh: điện cực dương, điện phân và điện cực âm.

1. Vật liệu cathode

Các cách chủ đạo để cải thiện hiệu suất khuếch tán ion của vật liệu sốt ở nhiệt độ thấp là:

1 Phương pháp phủ bề mặt của cơ thể vật liệu hoạt động với vật liệu dẫn điện tuyệt vời cải thiện độ dẫn điện của giao diện vật liệu điện cực dương, làm giảm trở kháng giao diện, đồng thời giảm các phản ứng phụ của vật liệu điện cực dương và chất điện phân, và ổn định cấu trúc vật liệu.

2 Cơ thể vật liệu được pha tạp với số lượng lớn với Mn, Al, Cr, Mg, F và các yếu tố khác, và khoảng cách lớp của vật liệu được tăng lên để tăng tỷ lệ khuếch tán của Li + trong cơ thể, làm giảm sức đề kháng khuếch tán của Li +, và cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin.

3 Giảm kích thước hạt vật liệu và rút ngắn đường di chuyển Li +. Cần chỉ ra rằng phương pháp này sẽ làm tăng diện tích bề mặt cụ thể của vật liệu và tăng phản ứng phụ với chất điện phân.

2. Chất điện giải

Là một phần quan trọng của pin lithium ion, chất điện phân không chỉ xác định tốc độ di chuyển của Li + trong pha lỏng, mà còn tham gia vào sự hình thành của bộ phim SEI, đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất của bộ phim SEI. Ở nhiệt độ thấp, độ nhớt của chất điện phân tăng lên, độ dẫn điện giảm, trở kháng của màng SEI tăng lên và khả năng tương thích với các vật liệu tích cực và tiêu cực xấu đi, làm giảm đáng kể mật độ năng lượng và hiệu suất chu kỳ của pin.

Hiện nay, có hai cách để cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp thông qua chất điện phân:

(1) Cải thiện độ dẫn điện ở nhiệt độ thấp của chất điện phân bằng cách tối ưu hóa thành phần của dung môi và sử dụng muối điện giải mới;

(2) Sử dụng các chất phụ gia mới để cải thiện tính chất của màng SEI, làm cho nó có lợi cho dẫn truyền Li + ở nhiệt độ thấp.

1 Tối ưu hóa thành phần dung môi

Hiệu suất nhiệt độ thấp của chất điện phân chủ yếu được xác định bởi điểm eutectic nhiệt độ thấp của nó. Nếu điểm nóng chảy quá cao, chất điện phân rất dễ kết tinh ở nhiệt độ thấp, điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ dẫn điện của chất điện phân. Ethylene cacbonat (EC) là thành phần dung môi chính của chất điện phân, nhưng điểm nóng chảy của nó là 36 ° C, và độ hòa tan của nó trong chất điện phân giảm hoặc thậm chí kết tủa ở nhiệt độ thấp, có tác động lớn hơn đến hiệu suất nhiệt độ thấp của pin. Bằng cách thêm điểm nóng chảy thấp và các thành phần có độ nhớt thấp để giảm hàm lượng EC dung môi, độ nhớt và điểm eutectic của chất điện phân ở nhiệt độ thấp có thể được giảm hiệu quả và độ dẫn điện của chất điện phân có thể được cải thiện.

2 Muối điện giải mới

Muối điện giải là một trong những thành phần quan trọng của chất điện giải, và nó cũng là một yếu tố quan trọng để có được hiệu suất nhiệt độ thấp tuyệt vời. Hiện nay, muối điện phân thương mại là lithium hexafluorophosphate, và màng SEI hình thành có trở kháng lớn, dẫn đến hiệu suất nhiệt độ thấp kém. Sự phát triển của một loại muối lithium mới sắp xảy ra. Lithium tetrafluoroborate có bán kính anion nhỏ, dễ liên kết và có độ dẫn điện thấp hơn LiPF6, nhưng có khả năng chống truyền điện tích thấp ở nhiệt độ thấp và có hiệu suất nhiệt độ thấp tốt như muối điện phân.

3 chất phụ gia

Bộ phim SEI có ảnh hưởng rất quan trọng đến hiệu suất nhiệt độ thấp của pin. Nó là một dây dẫn ion và một chất cách điện điện tử, và nó là một kênh cho Li + để đạt được bề mặt điện cực từ pha lỏng. Ở nhiệt độ thấp, trở kháng của màng SEI tăng lên, và tỷ lệ khuếch tán của Li + trong màng SEI giảm mạnh, làm sâu sắc thêm sự tích tụ điện tích trên bề mặt điện cực, dẫn đến giảm khả năng chèn lithium của than chì và tăng phân cực. Bằng cách tối ưu hóa thành phần và điều kiện tạo màng của màng SEI, cải thiện độ dẫn điện ion của màng SEI ở nhiệt độ thấp có lợi cho việc cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin. Do đó, sự phát triển của các chất phụ gia tạo màng với hiệu suất nhiệt độ thấp tuyệt vời là một điểm nóng nghiên cứu hiện tại.

Tóm lại, độ dẫn điện và khả năng chống hình thành phim của chất điện phân có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin lithium-ion. Đối với chất điện phân ở nhiệt độ thấp, nó phải được tối ưu hóa toàn diện từ ba khía cạnh: hệ thống dung môi điện giải, muối lithium và phụ gia. Đối với dung môi điện phân, nên chọn một hệ thống dung môi có điểm nóng chảy thấp, độ nhớt thấp và hằng số điện môi cao. Dung môi cacboxylate tuyến tính có hiệu suất nhiệt độ thấp tuyệt vời, nhưng chúng có tác động lớn hơn đến hiệu suất chu kỳ, và cần phải phù hợp với axit carbonic tuần hoàn với sự pha trộn hằng số điện môi cao của este như EC và PC; đối với muối lithium và phụ gia, việc xem xét chính là giảm sức đề kháng tạo màng và tăng tốc độ di chuyển của các ion lithium. Ngoài ra, tăng nồng độ muối lithium ở nhiệt độ thấp một cách thích hợp có thể làm tăng độ dẫn điện của chất điện phân và tăng hiệu suất nhiệt độ thấp.

3. Vật liệu Anode

Sự suy giảm của các điều kiện động học khuếch tán của các ion lithium trong vật liệu cực dương carbon là lý do chính làm hạn chế hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion. Do đó, sự phân cực điện hóa của cực dương được tăng cường đáng kể trong quá trình sạc, dễ dàng dẫn đến sự kết tủa của lithium kim loại trên bề mặt của cực dương.

Chọn vật liệu anode phù hợp là yếu tố quan trọng để cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin. Hiện nay, việc tối ưu hóa hiệu suất nhiệt độ thấp chủ yếu được thực hiện thông qua các phương pháp xử lý bề mặt của cực dương, lớp phủ bề mặt, doping để tăng khoảng cách lớp và kiểm soát kích thước hạt.

1 Xử lý bề mặt

Xử lý bề mặt bao gồm quá trình oxy hóa bề mặt và fluorination. Xử lý bề mặt có thể làm giảm các vị trí hoạt động trên bề mặt than chì, giảm tổn thất công suất không thể đảo ngược và có thể tạo ra nhiều lỗ chân lông cấu trúc vi nano hơn, có lợi cho việc truyền Li + và giảm trở kháng.

2 Lớp phủ bề mặt

Lớp phủ bề mặt như lớp phủ carbon và lớp phủ kim loại không chỉ có thể tránh tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực âm và điện phân, cải thiện khả năng tương thích của chất điện phân và điện cực âm, mà còn tăng độ dẫn điện của than chì, cung cấp nhiều vị trí chèn lithium hơn và giảm công suất không thể đảo ngược. Ngoài ra, khoảng cách lớp carbon mềm hoặc vật liệu carbon cứng lớn hơn so với than chì. Phủ một lớp carbon mềm hoặc vật liệu carbon cứng trên điện cực âm tạo điều kiện cho sự khuếch tán của các ion lithium và làm giảm sức đề kháng của màng SEI, do đó cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin. Lớp phủ bề mặt của một lượng nhỏ Ag cải thiện độ dẫn điện của vật liệu điện cực âm, làm cho nó có hiệu suất điện hóa tuyệt vời ở nhiệt độ thấp.

3 Tăng khoảng cách giữa các lớp than chì

Cực dương than chì có khoảng cách xen kẽ nhỏ, và tỷ lệ khuếch tán của các ion lithium giữa các lớp than chì ở nhiệt độ thấp giảm, dẫn đến tăng phân cực. Sự ra đời của B, N, S, K và các yếu tố khác trong quá trình chuẩn bị than chì có thể sửa đổi cấu trúc của than chì và tăng khoảng cách xen kẽ của than chì cải thiện khả năng giải phóng / xen kẽ lithium. Bán kính nguyên tử của P (0.106pm) lớn hơn bán kính của C (0.077pm). P doping có thể làm tăng khoảng cách xen kẽ của than chì, tăng cường khả năng khuếch tán của các ion lithium, và có thể cải thiện nó. Hàm lượng tinh thể than chì trong vật liệu carbon. Sự ra đời của K vào vật liệu carbon sẽ tạo thành hợp chất xen kẽ KC8. Khi kali được loại bỏ, khoảng cách xen kẽ của vật liệu carbon sẽ tăng lên, có lợi cho việc chèn nhanh lithium, do đó cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin.

4 Kiểm soát kích thước của các hạt điện cực âm

Kích thước hạt điện cực âm càng lớn, đường khuếch tán lithium ion càng dài và khả năng chống khuếch tán càng lớn, dẫn đến tăng phân cực nồng độ và hiệu suất nhiệt độ thấp kém. Do đó, việc giảm kích thước hạt của vật liệu điện cực âm một cách thích hợp có thể rút ngắn hiệu quả khoảng cách di chuyển của các ion lithium giữa các lớp than chì, giảm khả năng chống khuếch tán, tăng khu vực xâm nhập điện phân và cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin. Ngoài ra, điện cực âm than chì được hạt bởi một hạt đơn kích thước hạt nhỏ có độ đẳng hướng cao hơn, có thể cung cấp nhiều vị trí chèn lithium hơn, giảm phân cực và có thể cải thiện đáng kể hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin.

Hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin lithium-ion là một yếu tố quan trọng hạn chế việc sử dụng pin lithium. Làm thế nào để cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium vẫn là một điểm nóng và khó khăn của nghiên cứu hiện tại. Để cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium, cần xem xét ảnh hưởng của các yếu tố toàn diện như điện cực dương, điện cực âm và chất điện giải trong pin. Bằng cách tối ưu hóa dung môi điện giải, phụ gia và thành phần muối lithium, độ dẫn điện của chất điện phân được cải thiện và khả năng chống hình thành màng giảm; Vật liệu điện cực trải qua các phương pháp điều trị sửa đổi như doping, lớp phủ và hạt để tối ưu hóa cấu trúc vật liệu và giảm sức đề kháng giao diện và khả năng chống khuếch tán của Li + trong cơ thể vật liệu hoạt động. Thông qua việc tối ưu hóa tổng thể của hệ thống pin, sự phân cực của pin lithium ở nhiệt độ thấp bị giảm và hiệu suất nhiệt độ thấp của pin được cải thiện hơn nữa.