सर्दियों में लिथियम बैटरी की क्षमता क्यों कम हो जाती है?

सर्दियों में लिथियम बैटरी की क्षमता क्यों कम हो जाती है?

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, यह आवश्यक है कि बैटरी -40 ℃ पर सामान्य रूप से काम कर सके। 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 वाले वातावरण में लिथियम-आयन बैटरियों का नकारात्मक इलेक्ट्रोड गंभीर लिथियम अवक्षेपण का अनुभव करता है, और अवक्षेपित धात्विक लिथियम इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिसके परिणामस्वरूप इसके उत्पादों का जमाव होता है और ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस (एसईआई) की मोटाई में वृद्धि होती है।
• कम तापमान वाले वातावरण में, सक्रिय सामग्री के भीतर लिथियम-आयन बैटरी की 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 की खोज

विशेषज्ञ की राय 1: इलेक्ट्रोलाइट का लिथियम-आयन बैटरियों के कम तापमान वाले प्रदर्शन पर सबसे अधिक प्रभाव पड़ता है, और इलेक्ट्रोलाइट की संरचना और भौतिक रासायनिक गुण बैटरियों के कम तापमान वाले प्रदर्शन पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालते हैं। बैटरियों की निम्न-तापमान चक्रण में समस्या यह है कि इलेक्ट्रोलाइट की चिपचिपाहट बढ़ जाती है, आयन चालन गति धीमी हो जाती है, और बाहरी सर्किट में इलेक्ट्रॉनों की प्रवासन गति मेल नहीं खाती है, जिसके परिणामस्वरूप बैटरी का गंभीर ध्रुवीकरण होता है और तीव्र चार्जिंग और डिस्चार्जिंग क्षमता में 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।

इलेक्ट्रोलाइट का निम्न-तापमान प्रदर्शन उसकी अपनी 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 जितना अधिक लिथियम लवण विघटित होता है, उतना अधिक प्रवासन होता है, और चालकता उतनी ही अधिक होती है। चालकता जितनी अधिक होगी और आयन चालन दर जितनी तेज़ 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 उसकी संरचना से संबंधित होती 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 तरलता 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 सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री है। इसके प्रतिनिधि पदार्थों में LiCoO2, Li (Co1 xNix) O2, और Li (Ni, Co, Mn) O2 शामिल हैं।

ज़ी ज़ियाओहुआ एट अल। LiCoO2/MCMB का अध्ययन किया और इसकी कम तापमान वाली चार्जिंग और डिस्चार्जिंग विशेषताओं का परीक्षण किया।

परिणामों से पता चला कि जैसे-जैसे तापमान कम हुआ, डिस्चार्ज पठार 3.762V (0 ℃) से घटकर 3.207V (-30 ℃) हो गया; कुल बैटरी क्षमता भी 78.98mA · h (0 ℃) से घटकर 68.55mA · h (-30 ℃) हो गई है।

2. स्पिनल संरचित कैथोड 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 कैथोड सामग्री की कम तापमान विशेषताएँ

LiFePO4, टर्नरी सामग्रियों के साथ, अपनी उत्कृष्ट वॉल्यूम स्थिरता और सुरक्षा के कारण पावर बैटरी के लिए मुख्य सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री बन गया है। लिथियम आयरन फॉस्फेट का खराब निम्न-तापमान प्रदर्शन मुख्य रूप से इसकी सामग्री के इन्सुलेटर, कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता, खराब लिथियम आयन प्रसार और कम तापमान पर खराब चालकता के कारण होता है, जो बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध को बढ़ाता है और ध्रुवीकरण से काफी प्रभावित होता है। , बैटरी की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग में बाधा उत्पन्न होती है, जिसके परिणामस्वरूप कम तापमान वाला प्रदर्शन असंतोषजनक होता है।

कम तापमान पर LiFePO4 के चार्ज और डिस्चार्ज व्यवहार का अध्ययन करते समय, गु यिजी एट अल। पाया गया कि इसकी कूलम्बिक दक्षता क्रमशः 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. नैनोकार्बन का उपयोग करके LiFePO4 को संशोधित किया गया और पाया गया कि नैनोकार्बन 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 नैनोकार्बन 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, LiFePO4 की तुलना में LiMnPO4 की कम आयनिक चालकता के कारण, व्यवहार में LiMn0.8Fe0.2PO4 ठोस समाधान बनाने के लिए Mn को आंशिक रूप से प्रतिस्थापित करने के लिए अक्सर Fe का उपयोग 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 की घटना अधिक गंभीर है, मुख्य रूप से निम्नलिखित तीन कारणों से:

• कम तापमान वाली उच्च दर चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान, बैटरी का ध्रुवीकरण गंभीर होता है, और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सतह पर बड़ी मात्रा में लिथियम धातु जमा हो जाती है, और लिथियम धातु और इलेक्ट्रोलाइट के बीच प्रतिक्रिया उत्पादों में आमतौर 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 प्रभावों 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 निर्माण प्रदर्शन का बैटरी के कम तापमान वाले प्रदर्शन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। कम तापमान वाले इलेक्ट्रोलाइट्स 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 अंतःक्रिया बल और उच्च गलनांक और चिपचिपाहट होती है। हालाँकि, वृत्ताकार संरचना द्वारा लाई गई बड़ी ध्रुवता के परिणामस्वरूप अक्सर उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक होता 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।
• 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 Li+ की प्रसार दूरी को भी कम कर सकते हैं। सामान्यतया, किसी घोल में Li+ की सांद्रता जितनी अधिक होगी, उसकी आयन 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 प्रदर्शित करती 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 प्रभाव का अध्ययन किया और पाया कि क्षमता प्रतिधारण के संदर्भ में, इलेक्ट्रोड लोड जितना छोटा होगा और कोटिंग परत जितनी पतली होगी, उतना ही बेहतर होगा। कम तापमान का 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 विभाजक सभी लिथियम-आयन बैटरी के कम तापमान के प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं। इसके अलावा, बैटरियों के कम तापमान वाले प्रदर्शन पर सामग्री और प्रक्रिया दोषों के प्रभाव को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है।

Sखत्म करना

लिथियम-आयन बैटरियों के कम तापमान वाले प्रदर्शन को सुनिश्चित करने के लिए, निम्नलिखित बिंदुओं को अच्छी तरह से करने की आवश्यकता है:

(1) एक पतली और सघन एसईआई फिल्म बनाना;

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

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

इसके अलावा, अनुसंधान एक अलग दृष्टिकोण अपना सकता है और एक अन्य प्रकार की लिथियम-आयन बैटरी - सभी ठोस अवस्था 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 थिन-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।