Methode zur Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen

Die Hauptfaktoren für die schlechte Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien werden immer noch diskutiert. Die Hauptgründe sind: Die Viskosität des Elektrolyten steigt bei niedrigen Temperaturen an und die Leitfähigkeit nimmt ab; der Elektrolyt / Elektroden-Grenzflächenmembranwiderstand und der Ladungsübertragungswiderstand nehmen zu; Lithiumionen befinden sich im aktiven Materialkörper. Die Migrationsrate im Medium nimmt ab. Infolgedessen nimmt die Elektrodenpolarisation bei niedrigen Temperaturen zu und die Lade- und Entladekapazität nimmt ab.

Während des Ladens von Lithium-Ionen-Batterien bei niedriger Temperatur, insbesondere während des Ladens bei hoher Temperatur bei niedriger Temperatur, kommt es zu einer Ausfällung und Ablagerung von Lithiummetall in der negativen Elektrode. Das abgeschiedene Metalllithium reagiert leicht irreversibel mit dem Elektrolyten und verbraucht eine große Menge Elektrolyt. Gleichzeitig wird die Dicke des SEI-Films weiter erhöht, was dazu führt, dass die Impedanz des negativen Elektrodenoberflächenfilms der Batterie weiter zunimmt und die Polarisation der Batterie wieder zunimmt, was die Niedertemperaturleistung stark beeinträchtigt. Lebensdauer und Sicherheitsleistung der Batterie.

Verfahren zur Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Niedertemperaturbatterien Ein Modifikationsverfahren zur Verbesserung der Niedertemperaturleistung der Batterie unter drei Gesichtspunkten: positive Elektrode, Elektrolyt und negative Elektrode.

1. Kathodenmaterial

Die gängigen Methoden zur Verbesserung der Ionendiffusionsleistung von Kathodenmaterialien bei niedriger Temperatur sind:

1 Das Oberflächenbeschichtungsverfahren des aktiven Materialkörpers mit Materialien mit ausgezeichneter Leitfähigkeit verbessert die Leitfähigkeit der Grenzfläche des positiven Elektrodenmaterials, verringert die Grenzflächenimpedanz, verringert die Nebenreaktionen des positiven Elektrodenmaterials und des Elektrolyten und stabilisiert die Materialstruktur.

2 Der Materialkörper wird in großen Mengen mit Mn, Al, Cr, Mg, F und anderen Elementen dotiert, und der Schichtabstand des Materials wird vergrößert, um die Diffusionsrate von Li + im Körper zu erhöhen und die Diffusion zu verringern Widerstand von Li + und Verbesserung der Niedertemperaturleistung des Akkus.

3 Reduzieren Sie die Partikelgröße des Materials und verkürzen Sie den Li + -Migrationspfad. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass dieses Verfahren die spezifische Oberfläche des Materials vergrößert und die Nebenreaktion mit dem Elektrolyten erhöht.

2. Elektrolyt

Als wichtiger Bestandteil der Lithium-Ionen-Batterie bestimmt der Elektrolyt nicht nur die Migrationsrate von Li + in der flüssigen Phase, sondern ist auch an der Bildung des SEI-Films beteiligt, der eine Schlüsselrolle bei der Leistung von spielt der SEI-Film. Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Viskosität des Elektrolyten zu, die Leitfähigkeit nimmt ab, die Impedanz des SEI-Films nimmt zu und die Verträglichkeit mit den positiven und negativen Materialien verschlechtert sich, was die Energiedichte und die Zyklusleistung der Batterie stark verschlechtert.

Gegenwärtig gibt es zwei Möglichkeiten, die Leistung bei niedrigen Temperaturen durch Elektrolyt zu verbessern:

(1) Verbesserung der Niedertemperaturleitfähigkeit des Elektrolyten durch Optimierung der Zusammensetzung des Lösungsmittels und Verwendung neuer Elektrolytsalze;

(2) Verwenden Sie neue Additive, um die Eigenschaften des SEI-Films zu verbessern und die Li + -Leitung bei niedrigen Temperaturen zu fördern.

1 Optimieren Sie die Lösungsmittelzusammensetzung

Die Niedertemperaturleistung des Elektrolyten wird hauptsächlich durch seinen eutektischen Niedertemperaturpunkt bestimmt. Wenn der Schmelzpunkt zu hoch ist, kann der Elektrolyt bei niedrigen Temperaturen leicht kristallisieren, was die Leitfähigkeit des Elektrolyten ernsthaft beeinträchtigt. Ethylencarbonat (EC) ist die Hauptlösungsmittelkomponente des Elektrolyten, sein Schmelzpunkt beträgt jedoch 36 ° C, und seine Löslichkeit im Elektrolyten nimmt bei niedrigen Temperaturen ab oder fällt sogar aus, was einen größeren Einfluss auf die Niedertemperaturleistung des Elektrolyten hat Batterie. Durch Zugabe von Komponenten mit niedrigem Schmelzpunkt und niedriger Viskosität zur Verringerung des EC-Gehalts des Lösungsmittels können die Viskosität und der eutektische Punkt des Elektrolyten bei niedrigen Temperaturen wirksam verringert und die Leitfähigkeit des Elektrolyten verbessert werden.

2 Neues Elektrolytsalz

Elektrolytsalz ist eine der wichtigen Komponenten des Elektrolyten und es ist auch ein Schlüsselfaktor, um eine ausgezeichnete Leistung bei niedrigen Temperaturen zu erzielen. Gegenwärtig ist das handelsübliche Elektrolytsalz Lithiumhexafluorophosphat, und der gebildete SEI-Film hat eine große Impedanz, was zu einer schlechten Leistung bei niedrigen Temperaturen führt. Die Entwicklung einer neuen Art von Lithiumsalz steht unmittelbar bevor. Lithiumtetrafluorborat hat einen kleinen Anionenradius, ist leicht zu assoziieren und hat eine geringere Leitfähigkeit als LiPF6, aber einen niedrigen Ladungsübertragungswiderstand bei niedrigen Temperaturen und eine gute Niedertemperaturleistung als Elektrolytsalz.

3 Zusatzstoffe

Der SEI-Film hat einen sehr wichtigen Einfluss auf die Leistung der Batterie bei niedrigen Temperaturen. Es ist ein Ionenleiter und ein elektronischer Isolator, und es ist ein Kanal, über den Li + von der flüssigen Phase zur Elektrodenoberfläche gelangt. Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Impedanz des SEI-Films zu und die Diffusionsrate von Li + im SEI-Film nimmt stark ab, was die Ansammlung von Ladungen auf der Oberfläche der Elektrode vertieft, was zu einer Abnahme des Lithiums führt Einfügungsvermögen des Graphits und Erhöhung der Polarisation. Durch Optimieren der Zusammensetzung und der Filmbildungsbedingungen des SEI-Films ist die Verbesserung der Ionenleitfähigkeit des SEI-Films bei niedrigen Temperaturen vorteilhaft für die Verbesserung der Niedertemperaturleistung der Batterie. Daher ist die Entwicklung filmbildender Additive mit ausgezeichneter Niedertemperaturleistung ein aktueller Forschungsschwerpunkt.

Zusammenfassend haben die Leitfähigkeit und der Filmbildungswiderstand des Elektrolyten einen wichtigen Einfluss auf die Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien. Für den Niedertemperaturelektrolyten sollte er unter drei Gesichtspunkten umfassend optimiert werden: Elektrolytlösungsmittelsystem, Lithiumsalz und Additive. Für das Elektrolytlösungsmittel sollte ein Lösungsmittelsystem mit niedrigem Schmelzpunkt, niedriger Viskosität und hoher Dielektrizitätskonstante gewählt werden. Lineare Carboxylatlösungsmittel weisen eine ausgezeichnete Leistung bei niedrigen Temperaturen auf, haben jedoch einen größeren Einfluss auf die Zyklusleistung und müssen die cyclische Kohlensäure mit einer hohen Dielektrizitätskonstante übereinstimmen. Mischen von Estern wie EC und PC; Bei Lithiumsalzen und Additiven besteht die Hauptüberlegung darin, den Filmbildungswiderstand zu verringern und die Migrationsrate von Lithiumionen zu erhöhen. Darüber hinaus kann eine geeignete Erhöhung der Lithiumsalzkonzentration bei niedrigen Temperaturen die Leitfähigkeit des Elektrolyten erhöhen und die Leistung bei niedrigen Temperaturen erhöhen.

3. Anodenmaterial

Die Verschlechterung der Diffusionskinetikbedingungen von Lithiumionen in Kohlenstoffanodenmaterialien ist der Hauptgrund, der die Niedertemperaturleistung von Lithiumionenbatterien einschränkt. Daher wird die elektrochemische Polarisation der Anode während des Ladevorgangs erheblich verstärkt, was leicht zur Ausfällung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der Anode führt.

Die Auswahl eines geeigneten Anodenmaterials ist ein Schlüsselfaktor zur Verbesserung der Niedertemperaturleistung der Batterie. Gegenwärtig wird die Optimierung der Niedertemperaturleistung hauptsächlich durch die Verfahren der Oberflächenbehandlung der Anode, der Oberflächenbeschichtung, der Dotierung zur Vergrößerung des Schichtabstands und der Kontrolle der Partikelgröße durchgeführt.

1 Oberflächenbehandlung

Die Oberflächenbehandlung umfasst Oberflächenoxidation und Fluorierung. Eine Oberflächenbehandlung kann die aktiven Stellen auf der Graphitoberfläche verringern, den irreversiblen Kapazitätsverlust verringern und mehr Poren mit Mikro-Nanostruktur erzeugen, was der Li + -Übertragung förderlich ist und die Impedanz verringert.

2 Oberflächenbeschichtung

Oberflächenbeschichtungen wie Kohlenstoffbeschichtung und Metallbeschichtung können nicht nur einen direkten Kontakt zwischen der negativen Elektrode und dem Elektrolyten vermeiden, die Verträglichkeit des Elektrolyten und der negativen Elektrode verbessern, sondern auch die Leitfähigkeit von Graphit erhöhen, mehr Lithium-Insertionsstellen bereitstellen und herstellen Irreversible Kapazitätsreduzierung. Außerdem ist der Schichtabstand von Weichkohlenstoff oder Hartkohlenstoff größer als der von Graphit. Das Beschichten einer Schicht aus weichem Kohlenstoff oder hartem Kohlenstoffmaterial auf der negativen Elektrode erleichtert die Diffusion von Lithiumionen und verringert den Widerstand des SEI-Films, wodurch die Niedertemperaturleistung der Batterie verbessert wird. Die Oberflächenbeschichtung einer kleinen Menge Ag verbessert die Leitfähigkeit des negativen Elektrodenmaterials, wodurch es bei niedrigen Temperaturen eine ausgezeichnete elektrochemische Leistung aufweist.

3 Erhöhen Sie den Abstand zwischen den Graphitschichten

Die Graphitanode hat einen kleinen Zwischenschichtabstand und die Diffusionsrate von Lithiumionen zwischen Graphitschichten bei niedrigen Temperaturen nimmt ab, was zu einer erhöhten Polarisation führt. Die Einführung von B, N, S, K und anderen Elementen in den Graphitherstellungsprozess kann die Struktur von Graphit verändern und vergrößern. Der Zwischenschichtabstand von Graphit verbessert seine Fähigkeit, Lithium freizusetzen / zu interkalieren. Der Atomradius von P (0,106 pm) ist größer als der von C (0,077 pm). P-Dotierung kann den Zwischenschichtabstand von Graphit vergrößern, die Diffusionsfähigkeit von Lithiumionen verbessern und möglicherweise verbessern. Der Gehalt an Graphitkristalliten in Kohlenstoffmaterialien. Die Einführung von K in das Kohlenstoffmaterial bildet die Interkalationsverbindung KC8. Wenn das Kalium entfernt wird, nimmt der Zwischenschichtabstand des Kohlenstoffmaterials zu, was für das schnelle Einbringen von Lithium vorteilhaft ist, wodurch die Niedertemperaturleistung der Batterie verbessert wird.

4 Kontrollieren Sie die Größe der negativen Elektrodenpartikel

Je größer die Partikelgröße der negativen Elektrode ist, desto länger ist der Lithiumionendiffusionsweg und desto größer ist der Diffusionswiderstand, was zu einer erhöhten Konzentrationspolarisation und einer schlechten Leistung bei niedrigen Temperaturen führt. Daher kann eine geeignete Verringerung der Partikelgröße des negativen Elektrodenmaterials den Migrationsabstand von Lithiumionen zwischen den Graphitschichten wirksam verkürzen, den Diffusionswiderstand verringern, den Elektrolytinfiltrationsbereich vergrößern und die Niedertemperaturleistung der Batterie verbessern. Darüber hinaus weist die durch ein Einzelpartikel mit kleiner Partikelgröße granulierte Graphitelegativelektrode eine höhere Isotropie auf, kann mehr Lithiuminsertionsstellen bereitstellen, die Polarisation verringern und die Niedertemperaturleistung der Batterie erheblich verbessern.

Die Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien ist ein Schlüsselfaktor, der die Verwendung von Lithium-Batterien einschränkt. Die Verbesserung der Niedertemperaturleistung von Lithiumbatterien ist nach wie vor ein heißer und schwieriger Punkt der aktuellen Forschung. Um die Niedertemperaturleistung von Lithiumbatterien zu verbessern, sollte der Einfluss umfassender Faktoren wie der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und des Elektrolyten in der Batterie berücksichtigt werden. Durch Optimieren des Elektrolytlösungsmittels, der Additive und der Lithiumsalzzusammensetzung wird die Leitfähigkeit des Elektrolyten verbessert und der Filmbildungswiderstand verringert; Das Elektrodenmaterial wird Modifizierungsbehandlungen wie Dotieren, Beschichten und Granulieren unterzogen, um die Materialstruktur zu optimieren und den Grenzflächenwiderstand und den Diffusionswiderstand von Li + im aktiven Materialkörper zu verringern. Durch die Gesamtoptimierung des Batteriesystems wird die Polarisation der Lithiumbatterie bei niedrigen Temperaturen verringert und die Niedertemperaturleistung der Batterie weiter verbessert.