Литиево-ионные батареи, как одна из самых успешных аккумуляторных батарей для химической энергии в мире сегодня, не только расположены в потребительских электронных продуктах, но также расширяются в поле электромобилей. Однако литий-ионные батареи с такими превосходными характеристиками очень чувствительны к температуре и низкой температуре. Литий-ионная батарея приведет к снижению электрических характеристик, даже привести к литий-ионной батарее, нельзя использовать, низкотемпературная зарядка приведет к дендриту лития, чтобы улучшить низкотемпературные характеристики литий-ионных батарей, большинство научных исследователей выдвинули ряд мер, таких как Технология аморфных электролитов, предложенная Марта Каспшик и др. Из Варшавского технологического университета, расширяет температуру использования электролита до -60 ° C. Электролит на основе этилацетата, предложенный профессором Xia Yongyao из Шанхайского университета, будет использоваться для специальных материалов для батарей. Температура использования еще ниже - -75 ° C. Конечно, не все ученые сосредоточили свое внимание на электролите. Guangsheng Zhang и др. Из Университета Пенсильвании разработали батарею со встроенным Ni-нагревателем. Аккумулятор от -40 ° C. Для возврата к нормальной температуре требуется 112 секунд, что значительно улучшает удобство использования литиево-ионных батарей при низких температурах.
Ключом к улучшению низкотемпературных характеристик литий-ионных батарей является улучшение низкотемпературных характеристик электролитов. Вязкость обычных коммерческих литий-ионных аккумуляторных электролитов будет быстро возрастать при низких температурах, а электропроводность резко снизится. Мы используем обычный коммерческий литий-ионный аккумуляторный электролит LB303. Например, ионная проводимость при комнатной температуре составляет около 10 мСм / см, но при -40 ° С электрическая проводимость резко падает до 0,02 мСм / см, что серьезно влияет на характеристики низкотемпературного разряда литий-ионных батарей, тем самым повышая температуру литий-ионных батарей при низких температурах. Ключом к производительности является улучшение низкотемпературных характеристик электролита.
Как улучшить низкотемпературные характеристики литий-ионных аккумуляторных электролитов, Джанак Кафле из Университета Висконсина Милуоки, США, считает, что нам не нужно добавлять специальные добавки в электролит. Регулируя соотношение растворителей электролита, мы можем значительно улучшить электролит Низкотемпературные характеристики. Исследования Джанака Кафле показывают, что циклические карбонатные растворители снижают низкие температуры электролита, в то время как линейные растворители могут улучшить низкую температуру электролита.
На следующем рисунке показана молекулярная структура и некоторые основные физико-химические параметры некоторых распространенных литий-ионных аккумуляторных растворителей. Из рисунка видно, что ЕС представляет собой кольцевую структуру в общем растворителе, а ЕС может помочь улучшить стабильность в отрицательном электроде. SEI, поэтому мы надеемся добавить больше EC в электролит, но более высокая температура плавления (38 ° C) и высокие вязкостные характеристики EC приведут к чрезмерно низкой проводимости ЕС, когда EC добавится слишком много, что повлияет на электролит. Низкотемпературные характеристики. Линейные растворители, такие как DMC, EMC и т. Д., Имеют относительно низкую вязкость и хорошую электрохимическую стабильность. Поэтому, чтобы улучшить низкотемпературные характеристики литий-ионных аккумуляторных электролитов, мы обычно используем различные смеси растворителей. Например, для улучшения низкотемпературных характеристик электролитов MC Smart из US Jet Propulsion Laboratory расширила диапазон рабочих температур от батарей DD-размера SAFT (9Ah) до -50-40, оптимизировав соотношение растворителей электролита. ° C (-40 ° C удельная энергия C / 10 по-прежнему составляет до 95 Вт / кг), что позволяет соответствовать требованиям выполнения геологических задач Марса.
Чтобы изучить влияние различных соотношений растворителей на низкотемпературные характеристики электролита, Джанак Кафле из Университета Висконсина-Милуоки разработал множество электролитов (как показано в следующей таблице, испытательной ячейкой был катод катода / графита NCM111 (0,93 мА · ч / см2). Батарея кнопки, тестовая система составляет 25 ° C, полная зарядка 1C, откладывается на 2 часа при низкой температуре, так что батарея достигает теплового равновесия после разряда 5C). Из результатов испытаний низкая разрядная емкость батареи сильно зависит от отношения растворителя к электролиту, Когда доля циклического растворителя превышает 40%, разрядная емкость электролита при низкой температуре значительно снижается.
На рисунке ниже показана разрядная емкость при низкой температуре для батарей с различными пропорциями добавленного электролита ЕС. Из рисунка мы можем ясно заметить, что разрядная емкость батареи при низких температурах является значительной с увеличением отношения добавления кольцевого растворителя EC. снижается.
На следующем рисунке показано влияние различных соотношений короткоцепочечных растворителей на низкотемпературную разрядную емкость ячейки (поскольку ЕС только добавляется в небольшой пропорции 20-30% на протяжении всего эксперимента, ЕС мало влияет на низкотемпературные характеристики ячейки, поэтому В исследовании вместе мы можем отметить, что с увеличением растворителя с короткой цепью емкость батареи с низкой температурой батареи значительно увеличилась. Это фактически не соответствует нашему обычному пониманию, поскольку DMC и EC Точка плавления 3 ° C и 38 ° C, соответственно, существенно не снижает температуру плавления электролита, что указывает на наличие других факторов, влияющих на низкотемпературные характеристики электролита.
Чтобы проанализировать ключевые факторы, влияющие на низкотемпературные характеристики электролита, нам нужно вернуться к первой таблице этой статьи. Отметим, что электролит 11 # может разряжать около 80% электролита 12 # при -20 ° C. Единственное различие между двумя электролитами состоит в том, что добавка 2% VC добавляется к электролиту 12 #, тогда как 2% добавка VC существенно не изменяет электропроводность электролита, и что более важно, это Некоторые из VC будут подвергаться редуктивному разложению во время образования клеток, поэтому мы можем заключить, что ключевым фактором, который приводит к лучшим низкотемпературным характеристикам электролита 12 #, является образование лучшей пленки SEI.
В приведенной ниже таблице сравниваются пропорции элементов C, O, F и P в пленках SEI, образованных в электролитах 9, 10 и 12. Из таблицы можно отметить, что наибольшая разница между этими различными пленками SEI находится в F. Элемент, содержание F-элемента в пленке SEI, сформированной в электролите 9 #, составляет около 70%, тогда как содержание F-элемента в пленке SEI, сформированной в электролите 10 # и 12 #, составляет всего 10% и 16%, и мы Известно, что больше LiF означает меньшее сопротивление диффузии Li + и, следовательно, лучшую производительность разряда.
Из приведенного выше анализа нетрудно обнаружить, что фокус конфликта переместился от низкотемпературной проводимости электролита к составу отрицательной пленки SEI. Когда пленка SEI формируется в литий-ионной батарее, компоненты в электролите разлагаются на поверхности отрицательного электрода. Пористость и плотность пленки SEI оказывают значительное влияние на характеристики батареи. Слишком высокая пористость не препятствует дальнейшей реакции электролита на поверхность отрицательного электрода, в то время как слишком высокая плотность приводит к значительной диффузии Li + в ней. В следующей таблице приведены результаты измерения импеданса нескольких различных пленок SEI с электролитом при 25 ° C и -20 ° C. Из таблицы видно, что омическое сопротивление Rs относительно медленно изменяется при понижении температуры и Диффузионное сопротивление R и сопротивление перезарядки Rcte Li + в пленке SEI сильно изменены. Это показывает, что уменьшение ионной проводимости электролита не является основной причиной низких температурных характеристик батареи и ключевым фактором, который действительно вызывает ухудшение характеристик батареи при низких температурах. В интерфейсе увеличивается диффузия и импеданс перезарядки.
Нетрудно видеть из приведенного выше анализа, что низкотемпературная проводимость электролита не оказывает большого влияния на низкотемпературные характеристики литий-ионной батареи, а состав и структура пленки SEI с отрицательным электродом оказывают важное влияние на низкотемпературные характеристики батареи. Пленка SEI должна содержать больше LiF, что уменьшает сопротивление диффузии Li + в пленке SEI. В целом, более цепные растворители, такие как EMC и DMC, менее циклические растворители, такие как EC, могут эффективно улучшать Низкотемпературные характеристики литий-ионных батарей, но для формирования более стабильной пленки SEI нам нужно добавить небольшое количество EC и ПК.
