Método de melhoria de desempenho da bateria de íon de lítio de baixa temperatura

Os principais fatores para o baixo desempenho em baixa temperatura das baterias de íon-lítio ainda são debatidos. As principais razões são: a viscosidade do eletrólito aumenta em baixas temperaturas e a condutividade diminui; o aumento da resistência da membrana da interface eletrólito / eletrodo e da resistência de transferência de carga; íons de lítio estão no corpo material ativo. A taxa de migração no meio diminui. Como resultado, a polarização do eletrodo em baixas temperaturas aumenta e a capacidade de carga e descarga diminui.

Durante o carregamento de baterias de íon de lítio em baixa temperatura, especialmente durante o carregamento de alta taxa em baixa temperatura, ocorrerão precipitação e deposição de metal de lítio no eletrodo negativo. O metal de lítio depositado é fácil de reagir irreversivelmente com o eletrólito e consome uma grande quantidade de eletrólito. Ao mesmo tempo, a espessura do filme SEI é aumentada ainda mais, resultando em um aumento adicional da impedância do filme de superfície do eletrodo negativo da bateria e a polarização da bateria aumenta novamente, o que prejudicará muito o desempenho em baixa temperatura ciclo de vida e desempenho de segurança da bateria.

Método de melhoria do desempenho da bateria de íon-lítio de baixa temperatura Um método de modificação para melhorar o desempenho da bateria em baixa temperatura em três aspectos: eletrodo positivo, eletrólito e eletrodo negativo.

1. Material catódico

As principais formas de melhorar o desempenho de difusão de íons de materiais catódicos em baixa temperatura são:

1 O método de revestimento de superfície do corpo de material ativo com materiais de excelente condutividade melhora a condutividade da interface do material do eletrodo positivo, reduz a impedância da interface, enquanto reduz as reações laterais do material do eletrodo positivo e do eletrólito e estabiliza a estrutura do material.

2 O corpo do material é dopado em massa com Mn, Al, Cr, Mg, F e outros elementos, e o espaçamento da camada do material é aumentado para aumentar a taxa de difusão de Li + no corpo, reduzir a difusão resistência de Li + e melhorar o desempenho da bateria em baixa temperatura.

3 Reduza o tamanho da partícula do material e encurte o caminho de migração de Li +. Deve-se ressaltar que este método aumentará a área superficial específica do material e aumentará a reação lateral com o eletrólito.

2. Eletrólito

Como uma parte importante da bateria de íon de lítio, o eletrólito não apenas determina a taxa de migração de Li + na fase líquida, mas também participa da formação do filme SEI, que desempenha um papel fundamental no desempenho de o filme SEI. Em baixas temperaturas, a viscosidade do eletrólito aumenta, a condutividade diminui, a impedância do filme SEI aumenta e a compatibilidade com os materiais positivos e negativos se deteriora, o que deteriora muito a densidade de energia e o desempenho do ciclo da bateria.

Atualmente, existem duas maneiras de melhorar o desempenho em baixa temperatura por meio do eletrólito:

(1) Melhorar a condutividade de baixa temperatura do eletrólito, otimizando a composição do solvente e usando novos sais de eletrólito;

(2) Use novos aditivos para melhorar as propriedades do filme SEI, tornando-o propício à condução de Li + em baixas temperaturas.

1 Otimize a composição do solvente

O desempenho do eletrólito em baixa temperatura é determinado principalmente por seu ponto eutético em baixa temperatura. Se o ponto de fusão for muito alto, o eletrólito é fácil de cristalizar em baixas temperaturas, o que afetará seriamente a condutividade do eletrólito. Carbonato de etileno (EC) é o principal componente solvente do eletrólito, mas seu ponto de fusão é 36 ° C, e sua solubilidade no eletrólito diminui ou mesmo precipita em baixas temperaturas, o que tem um maior impacto no desempenho em baixa temperatura bateria. Ao adicionar componentes de baixo ponto de fusão e baixa viscosidade para reduzir o teor de EC do solvente, a viscosidade e o ponto eutético do eletrólito em baixas temperaturas podem ser efetivamente reduzidos e a condutividade do eletrólito pode ser melhorada.

2 Novo sal eletrólito

O sal de eletrólito é um dos componentes importantes do eletrólito e também é um fator chave para obter um desempenho excelente em baixa temperatura. No momento, o sal de eletrólito comercial é hexafluorofosfato de lítio, e o filme SEI formado tem uma grande impedância, resultando em baixo desempenho em baixa temperatura. O desenvolvimento de um novo tipo de sal de lítio é iminente. O tetrafluoroborato de lítio tem um raio de ânion pequeno, é fácil de associar e tem uma condutividade mais baixa do que LiPF6, mas tem uma baixa resistência de transferência de carga em baixas temperaturas e tem um bom desempenho em baixas temperaturas como um sal eletrólito.

3 aditivos

O filme SEI tem um efeito muito importante no desempenho da bateria em baixa temperatura. É um condutor iônico e um isolante eletrônico e é um canal para Li + atingir a superfície do eletrodo a partir da fase líquida. Em baixas temperaturas, a impedância do filme SEI aumenta, e a taxa de difusão de Li + no filme SEI diminui drasticamente, o que aprofunda o acúmulo de cargas na superfície do eletrodo, resultando em uma diminuição no lítio capacidade de inserção da grafite e aumento da polarização. Ao otimizar a composição e as condições de formação de filme do filme SEI, melhorar a condutividade iônica do filme SEI em baixas temperaturas é benéfico para a melhoria do desempenho de baixa temperatura da bateria. Portanto, o desenvolvimento de aditivos formadores de filme com excelente desempenho em baixa temperatura é um ponto importante de pesquisa atual.

Em resumo, a condutividade e a resistência à formação de filme do eletrólito têm uma influência importante no desempenho das baterias de íon-lítio em baixa temperatura. Para o eletrólito de baixa temperatura, ele deve ser totalmente otimizado em três aspectos: sistema de solvente do eletrólito, sal de lítio e aditivos. Para o solvente eletrolítico, um sistema solvente com baixo ponto de fusão, baixa viscosidade e alta constante dielétrica deve ser selecionado. Os solventes de carboxilato linear têm excelente desempenho em baixas temperaturas, mas têm um impacto maior no desempenho do ciclo, e precisam combinar o ácido carbônico cíclico com alta constante dielétrica Mistura de ésteres como EC e PC; para sais de lítio e aditivos, a consideração principal é reduzir a resistência à formação de filme e aumentar a taxa de migração de íons de lítio. Além disso, o aumento adequado da concentração de sal de lítio em baixas temperaturas pode aumentar a condutividade do eletrólito e aumentar o desempenho em baixas temperaturas.

3. Material do ânodo

A deterioração das condições da cinética de difusão dos íons de lítio em materiais de ânodo de carbono é a principal razão que limita o desempenho em baixa temperatura das baterias de íon de lítio. Portanto, a polarização eletroquímica do ânodo é significativamente intensificada durante o processo de carregamento, o que facilmente leva à precipitação de lítio metálico na superfície do ânodo.

A escolha de um material de ânodo adequado é um fator chave para melhorar o desempenho da bateria em baixa temperatura. Atualmente, a otimização do desempenho em baixa temperatura é realizada principalmente através dos métodos de tratamento de superfície do ânodo, revestimento de superfície, dopagem para aumentar o espaçamento das camadas e controle do tamanho das partículas.

1 tratamento de superfície

O tratamento de superfície inclui oxidação de superfície e fluoração. O tratamento de superfície pode reduzir os locais ativos na superfície de grafite, reduzir a perda de capacidade irreversível e pode gerar mais poros de estrutura micro-nano, o que conduz à transmissão de Li + e reduz a impedância.

2 Revestimento de superfície

Os revestimentos de superfície, como revestimento de carbono e revestimento de metal, não só podem evitar o contato direto entre o eletrodo negativo e o eletrólito, melhorar a compatibilidade do eletrólito e do eletrodo negativo, mas também aumentar a condutividade do grafite, fornecer mais locais de inserção de lítio e fazer Redução de capacidade irreversível. Além disso, o espaçamento da camada de carbono macio ou material de carbono rígido é maior do que o da grafite. O revestimento de uma camada de carbono macio ou de carbono rígido no eletrodo negativo facilita a difusão dos íons de lítio e reduz a resistência do filme SEI, melhorando assim o desempenho da bateria em baixa temperatura. O revestimento da superfície com uma pequena quantidade de Ag melhora a condutividade do material do eletrodo negativo, tornando-o excelente desempenho eletroquímico em baixas temperaturas.

3 Aumente o espaçamento entre as camadas de grafite

O ânodo de grafite tem um pequeno espaçamento entre camadas e a taxa de difusão de íons de lítio entre as camadas de grafite em baixas temperaturas diminui, resultando em aumento da polarização. A introdução de B, N, S, K e outros elementos no processo de preparação da grafite pode modificar a estrutura da grafite e aumentar O espaçamento entre camadas da grafite melhora sua capacidade de liberar / intercalar o lítio. O raio atômico de P (0,106pm) é maior do que o de C (0,077pm). A dopagem com P pode aumentar o espaçamento entre camadas de grafite, aumentar a capacidade de difusão dos íons de lítio e, possivelmente, melhorá-la. O conteúdo de cristalitos de grafite em materiais de carbono. A introdução de K no material de carbono formará o composto de intercalação KC8. Quando o potássio é removido, o espaçamento entre camadas do material de carbono aumentará, o que é benéfico para a rápida inserção de lítio, melhorando assim o desempenho da bateria em baixa temperatura.

4 Controle o tamanho das partículas do eletrodo negativo

Quanto maior o tamanho da partícula do eletrodo negativo, mais longo o caminho de difusão do íon de lítio e maior a resistência à difusão, o que leva a um aumento da polarização da concentração e baixo desempenho em baixa temperatura. Portanto, reduzir apropriadamente o tamanho de partícula do material do eletrodo negativo pode efetivamente encurtar a distância de migração de íons de lítio entre as camadas de grafite, reduzir a resistência de difusão, aumentar a área de infiltração de eletrólito e melhorar o desempenho da bateria em baixa temperatura. Além disso, o eletrodo negativo de grafite granulado por uma partícula única de tamanho pequeno de partícula tem maior isotropia, pode fornecer mais locais de inserção de lítio, reduzir a polarização e pode melhorar significativamente o desempenho da bateria em baixa temperatura.

O desempenho em baixa temperatura das baterias de íon de lítio é um fator chave que restringe a aplicação das baterias de lítio. Como melhorar o desempenho das baterias de lítio em baixa temperatura ainda é um ponto quente e difícil das pesquisas atuais. Para melhorar o desempenho das baterias de lítio em baixa temperatura, deve-se considerar a influência de fatores abrangentes, como o eletrodo positivo, o eletrodo negativo e o eletrólito na bateria. Ao otimizar o solvente do eletrólito, os aditivos e a composição do sal de lítio, a condutividade do eletrólito é melhorada e a resistência à formação de filme é reduzida; O material do eletrodo passa por tratamentos de modificação, como dopagem, revestimento e granulação para otimizar a estrutura do material e reduzir a resistência da interface e a resistência à difusão do Li + no corpo do material ativo. Por meio da otimização geral do sistema de bateria, a polarização da bateria de lítio em baixas temperaturas é reduzida e o desempenho da bateria em baixa temperatura é melhorado ainda mais.