सर्दियों में लिथियम बैटरी की क्षमता क्यों कम हो जाती है? अंततः, कोई समझा सकता है!

सर्दियों में लिथियम बैटरी की क्षमता क्यों कम हो जाती है? अंततः, कोई समझा सकता है!

बाजार में प्रवेश करने के बाद से, लिथियम-आयन बैटरियों का उनके लंबे जीवनकाल, बड़ी विशिष्ट क्षमता और कोई स्मृति प्रभाव न होने जैसे फायदों के कारण व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। कम तापमान पर उपयोग की जाने वाली लिथियम आयन बैटरियों में कम क्षमता, गंभीर क्षीणन, खराब साइक्लिंग प्रदर्शन, स्पष्ट लिथियम विकास और असंतुलित लिथियम निष्कासन और सम्मिलन जैसी समस्याएं होती हैं। हालाँकि, अनुप्रयोग क्षेत्रों के निरंतर विस्तार के साथ, लिथियम-आयन बैटरियों के खराब निम्न-तापमान प्रदर्शन के कारण होने वाली बाधाएँ तेजी से स्पष्ट होती जा रही हैं।

रिपोर्टों के अनुसार, -20 ℃ पर लिथियम-आयन बैटरियों की डिस्चार्ज क्षमता कमरे के तापमान की तुलना में केवल 31.5% है। पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियां -20~+55 ℃ के बीच तापमान पर काम करती हैं। हालाँकि, एयरोस्पेस, सैन्य और इलेक्ट्रिक वाहनों जैसे क्षेत्रों में, बैटरियों को -40 ℃ पर सामान्य रूप से संचालित करने की आवश्यकता होती है। इसलिए, लिथियम-आयन बैटरियों के निम्न-तापमान गुणों में सुधार करना बहुत महत्वपूर्ण है।

लिथियम-आयन बैटरियों के निम्न-तापमान प्रदर्शन को प्रतिबंधित करने वाले कारक

• कम तापमान वाले वातावरण में, इलेक्ट्रोलाइट की चिपचिपाहट बढ़ जाती है और आंशिक रूप से जम भी जाती है, जिससे लिथियम-आयन बैटरी की चालकता में कमी आती है।
• कम तापमान वाले वातावरण में इलेक्ट्रोलाइट, नकारात्मक इलेक्ट्रोड और विभाजक के बीच अनुकूलता बिगड़ जाती है।
• कम तापमान की स्थिति के तहत, लिथियम-आयन बैटरी का नकारात्मक इलेक्ट्रोड गंभीर लिथियम अवक्षेपण का अनुभव करता है, और अवक्षेपित धातु लिथियम इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिसके परिणामस्वरूप उत्पादों का जमाव होता है जो सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस (एसईआई) की मोटाई को बढ़ाता है।
• कम तापमान वाले वातावरण में, लिथियम-आयन बैटरी की सक्रिय सामग्री के अंदर प्रसार प्रणाली कम हो जाती है, और चार्ज ट्रांसफर प्रतिबाधा (आरसीटी) काफी बढ़ जाती है।

लिथियम-आयन बैटरियों के निम्न-तापमान प्रदर्शन को प्रभावित करने वाले कारकों पर चर्चा

विशेषज्ञ दृष्टिकोण 1: इलेक्ट्रोलाइट का लिथियम-आयन बैटरी के कम तापमान वाले प्रदर्शन पर सबसे अधिक प्रभाव पड़ता है, और इलेक्ट्रोलाइट की संरचना और भौतिक रासायनिक गुणों का बैटरी के कम तापमान वाले प्रदर्शन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। कम तापमान पर बैटरियों के चक्रण में आने वाली समस्या यह है कि इलेक्ट्रोलाइट की चिपचिपाहट बढ़ जाएगी, आयन चालन गति धीमी हो जाएगी, जिससे बाहरी सर्किट की इलेक्ट्रॉन प्रवासन गति में बेमेल हो जाएगा, जिसके परिणामस्वरूप बैटरी का गंभीर ध्रुवीकरण होगा और चार्ज डिस्चार्ज क्षमता में भारी कमी। विशेष रूप से कम तापमान पर चार्ज करते समय, लिथियम आयन आसानी से नकारात्मक इलेक्ट्रोड सतह पर लिथियम डेंड्राइट बना सकते हैं, जिससे बैटरी खराब हो सकती है।

इलेक्ट्रोलाइट्स का निम्न-तापमान प्रदर्शन इलेक्ट्रोलाइट की चालकता से निकटता से संबंधित है। उच्च चालकता वाले इलेक्ट्रोलाइट्स तेजी से आयनों का परिवहन करते हैं और कम तापमान पर अधिक क्षमता लगा सकते हैं। इलेक्ट्रोलाइट में जितने अधिक लिथियम लवण विघटित होते हैं, उतना ही अधिक वे स्थानांतरित होते हैं और उनकी चालकता उतनी ही अधिक होती है। चालकता जितनी अधिक होगी और आयन चालन दर जितनी तेज होगी, ध्रुवीकरण उतना ही कम होगा और कम तापमान पर बैटरी का प्रदर्शन उतना ही बेहतर होगा। इसलिए, लिथियम-आयन बैटरियों के अच्छे निम्न-तापमान प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए उच्च चालकता एक आवश्यक शर्त है।

इलेक्ट्रोलाइट की चालकता इसकी संरचना से संबंधित है, और विलायक की चिपचिपाहट को कम करना इलेक्ट्रोलाइट की चालकता में सुधार करने के तरीकों में से एक है। कम तापमान पर सॉल्वैंट्स की अच्छी प्रवाह क्षमता आयन परिवहन की गारंटी है, और कम तापमान पर नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रोलाइट द्वारा बनाई गई ठोस इलेक्ट्रोलाइट फिल्म भी लिथियम आयन चालन को प्रभावित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक है, और आरएसईआई लिथियम का मुख्य प्रतिबाधा है- कम तापमान वाले वातावरण में आयन बैटरियां।

विशेषज्ञ 2: लिथियम-आयन बैटरियों के निम्न-तापमान प्रदर्शन को सीमित करने वाला मुख्य कारक एसईआई झिल्ली के बजाय कम तापमान पर तेजी से बढ़ती ली+प्रसार प्रतिबाधा है।

लिथियम-आयन बैटरी के लिए सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की कम तापमान विशेषताएँ

1. स्तरित सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की कम तापमान विशेषताएँ

एक-आयामी लिथियम-आयन प्रसार चैनलों और त्रि-आयामी चैनलों की संरचनात्मक स्थिरता की तुलना में अद्वितीय दर प्रदर्शन के साथ स्तरित संरचना, लिथियम-आयन बैटरी के लिए व्यावसायिक रूप से सबसे पहले उपलब्ध कैथोड सामग्री है। इसके प्रतिनिधि पदार्थों में LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2, और Li (Ni, Co, Mn) O2 शामिल हैं।
ज़ी ज़ियाओहुआ एट अल। अनुसंधान वस्तु के रूप में LiCoO2/MCMB की कम तापमान वाली चार्जिंग और डिस्चार्जिंग विशेषताओं का परीक्षण किया गया।
नतीजे बताते हैं कि जैसे-जैसे तापमान घटता है, डिस्चार्ज पठार 3.762V (0 ℃) से घटकर 3.207V (-30 ℃) हो जाता है; कुल बैटरी क्षमता भी 78.98mA · h (0 ℃) से घटकर 68.55mA · h (-30 ℃) हो गई है।

2. स्पिनल संरचना सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की कम तापमान विशेषताएँ

स्पिनल संरचित LiMn2O4 कैथोड सामग्री में सह तत्व की अनुपस्थिति के कारण कम लागत और गैर-विषाक्तता के फायदे हैं।
हालाँकि, Mn की परिवर्तनशील संयोजकता अवस्थाएँ और Mn3+ के जाह्न टेलर प्रभाव के परिणामस्वरूप इस घटक की संरचनात्मक अस्थिरता और खराब उत्क्रमणीयता होती है।
पेंग झेंगशुन एट अल। बताया कि विभिन्न तैयारी विधियों का LiMn2O4 कैथोड सामग्रियों के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन पर बहुत प्रभाव पड़ता है। एक उदाहरण के रूप में आरसीटी लें: उच्च तापमान ठोस चरण विधि द्वारा संश्लेषित LiMn2O4 का आरसीटी सोल जेल विधि द्वारा संश्लेषित की तुलना में काफी अधिक है, और यह घटना लिथियम आयन प्रसार गुणांक में भी परिलक्षित होती है। इसका मुख्य कारण यह है कि विभिन्न संश्लेषण विधियों का उत्पादों की क्रिस्टलीयता और आकारिकी पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।

3. फॉस्फेट प्रणाली सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की कम तापमान विशेषताएँ

LiFePO4, टर्नरी सामग्रियों के साथ, अपनी उत्कृष्ट वॉल्यूम स्थिरता और सुरक्षा के कारण पावर बैटरी के लिए मुख्य कैथोड सामग्री बन गया है। लिथियम आयरन फॉस्फेट का खराब निम्न तापमान प्रदर्शन मुख्य रूप से है क्योंकि इसकी सामग्री स्वयं एक इन्सुलेटर है, जिसमें कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता, खराब लिथियम आयन प्रसार और कम तापमान पर खराब चालकता होती है, जो बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध को बढ़ाती है, ध्रुवीकरण को बहुत प्रभावित करती है, और बैटरी के चार्ज और डिस्चार्ज में बाधा डालता है। इसलिए, कम तापमान का प्रदर्शन आदर्श नहीं है।
गु यिजी एट अल। कम तापमान पर इसके चार्ज डिस्चार्ज व्यवहार का अध्ययन करते समय पाया गया कि LiFePO4 की कूलम्बिक दक्षता 55 ℃ पर 100% से घटकर 0 ℃ पर 96% और -20 ℃ पर 64% हो गई; डिस्चार्ज वोल्टेज 55 ℃ पर 3.11V से घटकर -20 ℃ पर 2.62V हो जाता है।
ज़िंग एट अल. LiFePO4 को संशोधित करने के लिए नैनो कार्बन का उपयोग किया गया और पाया गया कि नैनो कार्बन प्रवाहकीय एजेंटों को जोड़ने से तापमान के प्रति LiFePO4 के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन की संवेदनशीलता कम हो गई और इसके कम तापमान वाले प्रदर्शन में सुधार हुआ; संशोधित LiFePO4 का डिस्चार्ज वोल्टेज 25 ℃ पर 3.40V से घटकर -25 ℃ पर 3.09V हो गया, केवल 9.12% की कमी के साथ; और इसकी बैटरी दक्षता -25 ℃ पर 57.3% है, जो नैनो कार्बन प्रवाहकीय एजेंटों के बिना 53.4% ​​से अधिक है।
हाल ही में, LiMnPO4 ने लोगों के बीच गहरी दिलचस्पी जगाई है। शोध में पाया गया है कि LiMnPO4 में उच्च क्षमता (4.1V), कोई प्रदूषण नहीं, कम कीमत और बड़ी विशिष्ट क्षमता (170mAh/g) जैसे फायदे हैं। हालाँकि, क्योंकि LiMnPO4 में LiFePO4 की तुलना में कम आयनिक चालकता है, इसका उपयोग अक्सर LiMn0.8Fe0.2PO4 ठोस समाधान बनाने के लिए Mn को Fe के साथ आंशिक रूप से बदलने के लिए किया जाता है।

लिथियम-आयन बैटरियों के लिए नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की निम्न तापमान विशेषताएँ

सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों की तुलना में, लिथियम-आयन बैटरियों में नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों की कम तापमान की गिरावट अधिक गंभीर है, मुख्यतः निम्नलिखित तीन कारणों से:

• कम तापमान और उच्च दर चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान, बैटरी ध्रुवीकरण गंभीर होता है, और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सतह पर बड़ी मात्रा में लिथियम धातु जमा होती है, और लिथियम धातु और इलेक्ट्रोलाइट के बीच प्रतिक्रिया उत्पादों में आम तौर पर चालकता नहीं होती है;
• थर्मोडायनामिक परिप्रेक्ष्य से, इलेक्ट्रोलाइट में बड़ी संख्या में सी-ओ और सी-एन जैसे ध्रुवीय समूह होते हैं, जो नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एसईआई फिल्में बनती हैं जो कम तापमान के प्रति अधिक संवेदनशील होती हैं;
• कम तापमान पर कार्बन नकारात्मक इलेक्ट्रोड में लिथियम को एम्बेड करना मुश्किल है, जिसके परिणामस्वरूप असममित चार्जिंग और डिस्चार्जिंग होती है।

निम्न तापमान इलेक्ट्रोलाइट्स पर अनुसंधान

इलेक्ट्रोलाइट लिथियम-आयन बैटरी में ली+ संचारित करने में एक भूमिका निभाता है, और इसकी आयन चालकता और एसईआई फिल्म बनाने का प्रदर्शन बैटरी के कम तापमान वाले प्रदर्शन पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालता है। कम तापमान वाले इलेक्ट्रोलाइट की गुणवत्ता का आकलन करने के लिए तीन मुख्य संकेतक हैं: आयन चालकता, इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो और इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया गतिविधि। इन तीन संकेतकों का स्तर काफी हद तक उनकी घटक सामग्रियों पर निर्भर करता है: सॉल्वैंट्स, इलेक्ट्रोलाइट्स (लिथियम लवण), और एडिटिव्स। इसलिए, बैटरियों के निम्न-तापमान प्रदर्शन को समझने और सुधारने के लिए इलेक्ट्रोलाइट के विभिन्न भागों के निम्न-तापमान प्रदर्शन का अध्ययन बहुत महत्वपूर्ण है।

• श्रृंखला कार्बोनेट की तुलना में, ईसी आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स में एक कॉम्पैक्ट संरचना, उच्च बल और उच्च गलनांक और चिपचिपाहट होती है। हालाँकि, वृत्ताकार संरचना द्वारा लाई गई बड़ी ध्रुवता अक्सर बड़े ढांकता हुआ स्थिरांक की ओर ले जाती है। उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक, उच्च आयनिक चालकता, और ईसी सॉल्वैंट्स का उत्कृष्ट फिल्म-निर्माण प्रदर्शन प्रभावी ढंग से विलायक अणुओं के सह-सम्मिलन को रोकता है, जिससे वे अपरिहार्य हो जाते हैं। इसलिए, आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले कम तापमान वाले इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम ईसी पर आधारित होते हैं और कम पिघलने बिंदु वाले छोटे अणु सॉल्वैंट्स के साथ मिश्रित होते हैं।
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• लिथियम लवण इलेक्ट्रोलाइट्स का एक महत्वपूर्ण घटक हैं। इलेक्ट्रोलाइट्स में लिथियम लवण न केवल समाधान की आयनिक चालकता में सुधार कर सकते हैं, बल्कि समाधान में ली+की प्रसार दूरी को भी कम कर सकते हैं। सामान्यतया, किसी विलयन में Li+ की सांद्रता जितनी अधिक होगी, उसकी आयनिक चालकता उतनी ही अधिक होगी। हालाँकि, इलेक्ट्रोलाइट में लिथियम आयनों की सांद्रता लिथियम लवण की सांद्रता के साथ रैखिक रूप से सहसंबद्ध नहीं होती है, बल्कि एक परवलयिक आकार में होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि विलायक में लिथियम आयनों की सांद्रता विलायक में लिथियम लवणों के पृथक्करण और जुड़ाव की ताकत पर निर्भर करती है।

बैटरी की संरचना के अलावा, व्यावहारिक संचालन में प्रक्रिया कारक भी बैटरी के प्रदर्शन पर महत्वपूर्ण प्रभाव डाल सकते हैं।

(1) तैयारी प्रक्रिया. याकूब एट अल. LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/ग्रेफाइट बैटरियों के निम्न-तापमान प्रदर्शन पर इलेक्ट्रोड लोड और कोटिंग की मोटाई के प्रभावों का अध्ययन किया और पाया कि क्षमता प्रतिधारण के संदर्भ में, इलेक्ट्रोड लोड जितना छोटा होगा, कोटिंग परत उतनी ही पतली होगी, और बेहतर होगा इसका कम तापमान वाला प्रदर्शन।

(2) चार्जिंग और डिस्चार्जिंग स्थिति। पेट्ज़ल एट अल. बैटरियों के चक्र जीवन पर कम तापमान वाली चार्जिंग और डिस्चार्जिंग स्थितियों के प्रभाव का अध्ययन किया और पाया कि जब डिस्चार्ज की गहराई बड़ी होती है, तो इससे महत्वपूर्ण क्षमता हानि होगी और चक्र जीवन कम हो जाएगा।

(3) अन्य कारक। सतह क्षेत्र, छिद्र आकार, इलेक्ट्रोड घनत्व, इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच अस्थिरता, और इलेक्ट्रोड के विभाजक सभी लिथियम-आयन बैटरी के कम तापमान के प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं। इसके अलावा, बैटरियों के कम तापमान वाले प्रदर्शन पर सामग्रियों और प्रक्रियाओं में दोषों के प्रभाव को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है।

संक्षेप

लिथियम-आयन बैटरियों का निम्न-तापमान प्रदर्शन सुनिश्चित करने के लिए, निम्नलिखित कार्य करना आवश्यक है:

(1) एक पतली और घनी एसईआई फिल्म बनाना;

(2) सुनिश्चित करें कि सक्रिय पदार्थ में Li+ का प्रसार गुणांक बड़ा है;

(3) इलेक्ट्रोलाइट्स में कम तापमान पर उच्च आयनिक चालकता होती है।

इसके अलावा, अनुसंधान नए रास्ते भी तलाश सकता है और एक अन्य प्रकार की लिथियम-आयन बैटरी - सभी सॉलिड-स्टेट लिथियम-आयन बैटरी - पर ध्यान केंद्रित कर सकता है। पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में, सभी सॉलिड-स्टेट लिथियम-आयन बैटरियों, विशेष रूप से सभी सॉलिड-स्टेट पतली फिल्म लिथियम-आयन बैटरियों से कम तापमान पर उपयोग की जाने वाली बैटरियों की क्षमता में गिरावट और साइकलिंग सुरक्षा मुद्दों को पूरी तरह से हल करने की उम्मीद है।