So verbessern Sie die Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterieelektrolyten

Lithium-Ionen-Batterien als die heute erfolgreichste chemische energiespeicherbatterie, die zu den Fußabdrücken von Unterhaltungselektronikprodukten gehört, öffnen nicht nur den Boden für Elektroautos. Aber die Leistung der herausragenden Lithium-Ionen-Batterie ist sehr temperaturempfindlich, niedrige Temperaturen verursachen einen Rückgang In Bezug auf die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien und sogar die Tatsache, dass die Lithium-Ionen-Batterie nicht verwendet werden kann, führt das Aufladen bei niedriger Temperatur zur Bildung von Lithium-Dendriten, um die Leistung bei niedrigen Temperaturen von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, so die Forscher Eine Vielzahl von Maßnahmen, wie die MartaKasprzyk Warschauer Technische Universität, die die Technologie des amorphen Elektrolyten vorschlägt, wird die Verwendung der Elektrolyttemperatur nutzen, um auf - 60 ° C zu expandieren, wird der Shanghai-Universitätsprofessor Xia Yong Yao, der Ethylacetat-Elektrolyt, Reduzieren Sie das spezielle Material der Batterietemperatur weiter auf 75 ° C. Natürlich wird sich nicht die gesamte Forschung auf den Elektrolyten konzentrieren. Die Universität von Pennsylvania, Guangsheng Zhang, und andere werden eine eingebaute Ni-Heizbatterie entwickeln. Die Batterie von bis zu 40 ° C benötigt nur 112 s, um die normale Temperatur wiederherzustellen. Dies verbessert den Komfort der bei niedrigen Temperaturen verwendeten Lithium-Ionen-Batterien erheblich .

Die Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien ist der Schlüssel zum Elektrolyten bei niedriger Temperatur und niedriger Leistung. Die normale Viskosität von Lithium-Ionen-Batterien steigt bei niedrigen Temperaturen schnell an. Die elektrische Leitfähigkeit ist stark gesunken. Wir verwenden einen üblichen handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterie-Elektrolyten LB303 als Beispiel: Seine Ionenleitfähigkeit bei normaler Temperatur für 10 mS / cm, aber bei 40 ° C fällt seine Leitfähigkeit stark auf 0,02 mS / cm ab, was schwerwiegende Auswirkungen auf die Niedertemperatur-Entladeleistung von Lithium-Ionen-Batterien hat und daher die Niedertemperaturleistung von verbessert Lithium-Ionen-Batterien sind der Schlüssel zur Verbesserung der Niedertemperaturleistung des Elektrolyten.


Milwaukee JanakKafle, US-amerikanischer Hersteller der Universität von Wisconsin, ist nicht der Meinung, dass wir dem Elektrolyten spezielle Additive hinzufügen müssen, nur durch Anpassen des Verhältnisses des Elektrolytlösungsmittels Verbesserung der Niedertemperaturleistung des Elektrolyten. Eine JanakKafle-Untersuchung des Lösungsmittels mit cyclischem Carbonat kann die Niedertemperaturleistung des Elektrolyten verringern, und ein geradkettiges Lösungsmittel kann die Niedertemperaturleistung des Elektrolyten verbessern.

Unten sehen Sie einige für alle gemeinsame molekulare Struktur des Lithium-Ionen-Batterie-Lösungsmittels und einige der grundlegenden physikalischen und chemischen Index, die wir aus dem Bild der gemeinsamen Lösungsmittel EC für Ringe ersehen können, EC kann in der negativen Form zu einer besseren Stabilität von beitragen Wir hoffen, dem Elektrolyten mehr EC zuzusetzen, aber der hohe EC-Schmelzpunkt (38 ° C) und die Eigenschaften einer hohen Viskosität führen zu einer übermäßigen Leitfähigkeit des EC-Elektrolyten bei niedriger Temperatur. Der Einfluss auf die Leistung des Elektrolyten ist gering Elektrolyt bei niedriger Temperatur. Gerade Kette von Lösungsmitteln wie DMC, EMC hat eine relativ niedrige Viskosität und eine gute elektrochemische Stabilität. Um die Leistung des Lithium-Ionen-Batterie-Elektrolyten bei niedriger Temperatur zu verbessern, verwenden wir normalerweise eine Vielzahl von Lösungsmittelgemischen, um diese zu verbessern die Niedertemperaturleistung von Elektrolyten wie den USA im Jet Propulsion Laboratory MCS Mart durch Optimierung der Mischung von Elektrolytlösungsmitteln wie der Weltraumleistung Zulieferer SAFT DD-Batterie (9 Ah) mit einem Temperaturbereich, der auf 50-40 ° C (bis 40 ° C, C / 10 erweitert, als die Energie noch 95 Wh / kg erreichen kann), um die Anforderungen von Mars-Missionen zu erfüllen.


Um den unterschiedlichen Anteil des Lösungsmitteleffekts an den Eigenschaften der Elektrolyttemperatur zu untersuchen, entwarf Milwaukee JanakKafle an der Universität von Wisconsin eine Vielzahl von Elektrolytformulierungen (siehe Tabelle unten, Testbatterie für NCM111 (0,93 mAh / cm2) ) Positiv / Graphit-Anoden-Knopfzelle, das Testsystem ist 25 ℃, 1 c, 2 h bei niedriger Temperatur, um nach 5 c Batterieentladung einen Wärmehaushalt zu erreichen), vom Punkt der Testergebnisse hing die niedrige Temperatur der Batterieentladungskapazität ab Wenn das Lösungsmittelverhältnis des Elektrolyten mehr als 40% des ringförmigen Lösungsmittels beträgt, wird der Elektrolyt bei einer Entladungskapazität bei niedriger Temperatur signifikant reduziert.


Die folgende Abbildung zeigt die unterschiedlichen Entladungskapazitäten der Elektrolytbatterie mit niedrigem EC-Additionsverhältnis bei niedriger Temperatur. Aus dem Bild ist sehr deutlich ersichtlich, dass die Entladekapazität der Batterie bei niedriger Temperatur mit zunehmendem EC-Additionsverhältnis des ringförmigen Lösungsmittels signifikant abnimmt.


Die folgende Abbildung zeigt die unterschiedlichen Anteile des Einflusses des kurzkettigen Lösungsmittels auf die Batterieentladekapazität bei niedriger Temperatur (aufgrund der EC, die im gesamten Experiment einen sehr kleinen Anteil hinzufügt, beträgt sie nur 20-30%, sodass die EC für die Die Niedertemperaturleistung der Batterie wird beeinträchtigt, daher können Untersuchungen und) zusammen aus dem Bild mit der Zunahme des kurzkettigen Lösungsmittels hervorgehen, dass die niedrige Temperatur der Batterieentladekapazität eine signifikante Verbesserung darstellt. Dies ist tatsächlich nicht in unserem regulären Verständnis, Da der Schmelzpunkt von DMC und EC bei 3 ° C bzw. 38 ° C den Schmelzpunkt des Elektrolyten nicht signifikant senken wird, deutet dies darauf hin, dass andere Faktoren die Niedertemperatureigenschaften des Elektrolyten beeinflussen müssen.


Um die Schlüsselfaktoren zu analysieren, die die Leistung der Elektrolyttemperatur beeinflussen, müssen wir zur ersten Form dieses Artikels zurückkehren. Wir haben festgestellt, dass der Elektrolyt 11 # nur unter - 20 ℃ Elektrolyt # 12 bis zu etwa 80% der Kapazität freisetzen kann. und der einzige Unterschied zwischen diesen beiden Arten von Elektrolyten, wobei der Elektrolyt im 12 # VC-Additiv um 2% zunahm, während 2% des VC-Additivs die Leitfähigkeit des Elektrolyten nicht signifikant verändern, und der wichtigere ist der Teil des VC im Prozess der Batterie in Reduktion Zersetzung tritt auf, so dass wir schließen können, dass zu Elektrolyt 12 # hat eine bessere Niedertemperaturleistung der Schlüsselfaktoren besser SEI-Film gebildet.

In der folgenden Tabelle wird im Elektrolyten 9, 10 und 12 der Bildung des SEI-Films das Verhältnis von C-, O-, F- und P-Element verglichen. Aus der Tabelle können wir den Unterschied von SEI, den größten Unterschied in F, ersehen Element im Elektrolyten von 9 # bei der Bildung des SEI-Films bei etwa 70%, Gehalt an F-Element im Elektrolyten 10 # und 12 # F-Elementgehalt bei der Bildung des SEI-Films beträgt nur 10% und 16% und Wir wissen, dass mehr LiF eine geringere Li + -Diffusionsimpedanz bedeutet, was eine bessere Entladungsleistung bedeutet.


Aus der obigen Analyse ist leicht zu ersehen, dass der Schwerpunkt des Konflikts auf der Elektrolytleitfähigkeit bei niedriger Temperatur liegt, die zur Kathode des SEI-Films bewegt wird. SEI ist, wenn in Lithiumionenbatterie, Zusammensetzung der Elektrolytzersetzung der porösen Struktur in der Kathodenoberfläche. SEI-Porosität und -Dichte haben einen signifikanten Einfluss auf die Leistung der Batterie. Eine hohe Porosität kann die weitere Reaktion des Elektrolyten in der Kathodenoberfläche stoppen, während die Dichte für eine Li + -Diffusion in signifikanten Hindernissen zu hoch ist. Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiedliche Form des SEI-Films in unterschiedlichem Elektrolyten 25 ° C und 20 ° C unter der Impedanz der Anpassungsergebnisse. Aus der Tabelle haben wir festgestellt, dass die Änderung des Ohmschen Widerstands Rs relativ gering ist und Li + im Diffusionswiderstand R und der Ladung des SEI-Films Austauschimpedanz Rcte dort hatte sehr große Änderung, dies legt nahe, dass je niedriger die Elektrolytionenleitfähigkeit ist, ist nicht die Hauptursache für die Niedertemperatur-Leistung Fledermaus Dies führte tatsächlich zu einer Verringerung der Leistung der Batterie bei niedrigen Temperaturen. Die Schlüsselfaktoren sind die Zunahme der Grenzflächendiffusion und der Ladungsaustauschimpedanz.



Es ist nicht schwer, durch die obige Analyse die Niedertemperaturleitfähigkeit des Elektrolyten für Lithiumionenbatterien zu erkennen, der Einfluss der Niedertemperaturleistung war nicht so groß, und die Kathode der Zusammensetzung und Struktur des SEI-Films für die Niedertemperaturleistung von der Batterie sind viel wichtiger, der Einfluss eines guten SEI-Films sollte mehr LiF enthalten, wodurch die Li + -Diffusionsimpedanz im SEI-Film verringert wird. Im Allgemeinen mehr Kettenlösungsmittel wie EMV und DMC, weniger Ringlösungsmittel wie EC kann die Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien effektiv verbessern, aber um einen stabileren SEI-Film zu bilden, müssen wir noch eine kleine Menge EC und PC hinzufügen.

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