لماذا تنخفض سعة بطارية الليثيوم في الشتاء؟

لماذا تنخفض سعة بطارية الليثيوم في الشتاء؟

لماذا تنخفض سعة بطارية الليثيوم في الشتاء؟

  منذ دخولها السوق، تم استخدام بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع نظرًا لمزاياها مثل العمر الطويل والسعة المحددة الكبيرة وعدم وجود تأثير على الذاكرة. يواجه استخدام بطاريات الليثيوم أيون في درجات حرارة منخفضة مشاكل مثل السعة المنخفضة، والتوهين الشديد، وضعف أداء معدل الدورة، وتطور الليثيوم الواضح، وإزالة الليثيوم غير المتوازن وإدخاله. ومع ذلك، مع التوسع المستمر في مجالات التطبيق، أصبحت القيود الناجمة عن الأداء الضعيف لبطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة واضحة بشكل متزايد.

منذ أن دخلت بطاريات الليثيوم أيون السوق، تم استخدامها على نطاق واسع نظرًا لمزاياها مثل العمر الطويل والسعة المحددة الكبيرة وعدم وجود تأثير على الذاكرة. تواجه بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في درجات حرارة منخفضة مشاكل مثل السعة المنخفضة، والتوهين الخطير، وضعف أداء معدل الدورة، وهطول الأمطار الواضح للليثيوم، وعدم توازن الليثيوم وإلغاء التداخل. ومع ذلك، مع استمرار توسع مجالات التطبيق، أصبحت القيود الناجمة عن الأداء الضعيف لبطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة واضحة بشكل متزايد.

وفقًا للتقارير، تبلغ قدرة تفريغ بطاريات الليثيوم أيون عند -20 درجة مئوية حوالي 31.5% فقط من تلك الموجودة في درجة حرارة الغرفة. تعمل بطاريات الليثيوم أيون التقليدية في درجات حرارة تتراوح بين -20~+55 درجة مئوية. ومع ذلك، في مجالات مثل الطيران والمركبات العسكرية والكهربائية، من الضروري أن تعمل البطارية بشكل طبيعي عند -40 درجة مئوية. ولذلك، فإن تحسين خصائص درجات الحرارة المنخفضة لبطاريات الليثيوم أيون له أهمية كبيرة.

وفقًا للتقارير، تبلغ قدرة تفريغ بطاريات الليثيوم أيون عند -20 درجة مئوية حوالي 31.5% فقط من تلك الموجودة في درجة حرارة الغرفة. تتراوح درجة حرارة تشغيل بطاريات الليثيوم أيون التقليدية بين -20~+55 درجة مئوية. ومع ذلك، في مجال الطيران والصناعة العسكرية والمركبات الكهربائية وغيرها من المجالات، يلزم أن تعمل البطاريات بشكل طبيعي عند -40 درجة مئوية. ولذلك، فإن تحسين خصائص درجات الحرارة المنخفضة لبطاريات الليثيوم أيون له أهمية كبيرة.

العوامل التي تقيد أداء درجات الحرارة المنخفضة لبطاريات الليثيوم أيون

العوامل التي تقيد أداء درجات الحرارة المنخفضة لبطاريات الليثيوم أيون

• في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة، تزداد لزوجة المنحل بالكهرباء وحتى تصلب جزئيًا، مما يؤدي إلى انخفاض في توصيل بطاريات الليثيوم أيون.
• في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة، تزداد لزوجة المنحل بالكهرباء وحتى تصلب جزئيًا، مما يؤدي إلى انخفاض توصيل بطاريات الليثيوم أيون.
  
• يتدهور التوافق بين الإلكتروليت والقطب السالب والفاصل في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة.
• في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة، يصبح التوافق بين المنحل بالكهرباء والقطب السالب والفاصل أسوأ.
  
• يتعرض القطب السالب لبطاريات الليثيوم أيون في البيئات منخفضة الحرارة إلى هطول شديد للليثيوم، ويتفاعل الليثيوم المعدني المترسب مع الإلكتروليت، مما يؤدي إلى ترسب منتجاته وزيادة في سمك واجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI).
• يترسب الليثيوم بشكل خطير من القطب السالب لبطاريات الليثيوم أيون في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة، ويتفاعل الليثيوم المعدني المترسب مع المنحل بالكهرباء، ويسبب ترسب المنتج زيادة في سمك واجهة المنحل بالكهرباء الصلبة (SEI).
  
• في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة، يتناقص نظام انتشار بطاريات الليثيوم أيون داخل المادة النشطة، وتزداد مقاومة نقل الشحنة (Rct) بشكل ملحوظ.
• في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة، يتناقص نظام الانتشار داخل المادة النشطة لبطاريات الليثيوم أيون، وتزداد مقاومة نقل الشحنة (Rct) بشكل ملحوظ.
  

استكشاف العوامل التي تؤثر على أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة

مناقشة العوامل التي تؤثر على أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة

رأي الخبراء 1: للإلكتروليت التأثير الأكبر على أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة، كما أن التركيب والخصائص الفيزيائية والكيميائية للإلكتروليت لها تأثير مهم على أداء البطاريات في درجات الحرارة المنخفضة. المشكلة التي تواجه تدوير البطاريات في درجات الحرارة المنخفضة هي أن لزوجة الإلكتروليت تزداد، وتتباطأ سرعة التوصيل الأيوني، وعدم تطابق سرعة هجرة الإلكترونات في الدائرة الخارجية، مما يؤدي إلى استقطاب شديد للبطارية وانهيار حاد. انخفاض في قدرة الشحن والتفريغ. خاصة عند الشحن في درجات حرارة منخفضة، يمكن لأيونات الليثيوم أن تشكل تشعبات الليثيوم بسهولة على سطح القطب السالب، مما يؤدي إلى فشل البطارية.

رأي الخبراء 1: للإلكتروليت التأثير الأكبر على أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة. إن التركيب والخصائص الفيزيائية والكيميائية للإلكتروليت لها تأثير مهم على أداء البطارية في درجات الحرارة المنخفضة. المشكلة التي تواجه البطاريات أثناء دورانها في درجات حرارة منخفضة هي أن لزوجة الإلكتروليت ستزداد وتتباطأ سرعة التوصيل الأيوني، مما يؤدي إلى عدم تطابق في سرعة هجرة الإلكترون للدائرة الخارجية، ونتيجة لذلك، ستكون البطارية شديدة مستقطبة وستنخفض قدرة الشحن والتفريغ بشكل حاد. خاصة عند الشحن في درجات حرارة منخفضة، يمكن لأيونات الليثيوم أن تشكل بسهولة تشعبات الليثيوم على سطح القطب السالب، مما يتسبب في فشل البطارية.

يرتبط أداء المنحل بالكهرباء في درجات الحرارة المنخفضة ارتباطًا وثيقًا بموصليته. تقوم الإلكتروليتات ذات الموصلية العالية بنقل الأيونات بسرعة ويمكنها بذل سعة أكبر عند درجات الحرارة المنخفضة. كلما زاد تفكك أملاح الليثيوم في المنحل بالكهرباء، زاد حدوث الهجرة، وارتفعت الموصلية. كلما زادت الموصلية وكان معدل التوصيل الأيوني أسرع، كلما كان الاستقطاب أصغر، وكان أداء البطارية أفضل في درجات الحرارة المنخفضة. لذلك، تعد الموصلية العالية شرطًا ضروريًا لتحقيق أداء جيد لبطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة.

يرتبط أداء المنحل بالكهرباء في درجات الحرارة المنخفضة ارتباطًا وثيقًا بموصلية المنحل بالكهرباء نفسه. يمكن للإلكتروليت ذي الموصلية العالية نقل الأيونات بسرعة ويمكنه بذل سعة أكبر في درجات حرارة منخفضة. كلما زاد تفكك أملاح الليثيوم في المنحل بالكهرباء، زاد عدد الهجرات وارتفعت الموصلية. الموصلية عالية، وكلما كان معدل التوصيل الأيوني أسرع، قل الاستقطاب، وكان أداء البطارية أفضل في درجات الحرارة المنخفضة. لذلك، تعد الموصلية العالية شرطًا ضروريًا لتحقيق أداء جيد لبطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة.

ترتبط موصلية المنحل بالكهرباء بتكوينه، ويعتبر تقليل لزوجة المذيب إحدى الطرق لتحسين توصيلية المنحل بالكهرباء. تعد السيولة الجيدة للمذيبات عند درجات الحرارة المنخفضة ضمانًا لنقل الأيونات، كما أن طبقة الإلكتروليت الصلبة التي يتكونها المنحل بالكهرباء على القطب السالب عند درجات حرارة منخفضة هي أيضًا عامل رئيسي يؤثر على توصيل أيون الليثيوم، وRSEI هي المعاوقة الرئيسية للليثيوم- بطاريات أيون في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة.

ترتبط موصلية المنحل بالكهرباء بتكوين المنحل بالكهرباء. يعد تقليل لزوجة المذيب إحدى طرق تحسين توصيلية المنحل بالكهرباء. تضمن السيولة الجيدة للمذيب عند درجات الحرارة المنخفضة نقل الأيونات، كما أن طبقة الإلكتروليت الصلبة التي يشكلها الإلكتروليت على القطب السالب عند درجات حرارة منخفضة هي أيضًا المفتاح للتأثير على توصيل أيون الليثيوم، وRSEI هي المعاوقة الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة.

الخبير 2: العامل الرئيسي الذي يحد من أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة هو زيادة مقاومة انتشار Li+ بسرعة في درجات الحرارة المنخفضة، بدلاً من غشاء SEI.

الخبير 2: العامل الرئيسي الذي يحد من أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة هو الزيادة الحادة في مقاومة انتشار Li+ في درجات الحرارة المنخفضة، وليس فيلم SEI.

خصائص درجة الحرارة المنخفضة لمواد القطب الموجب لبطاريات الليثيوم أيون

خصائص درجة الحرارة المنخفضة لمواد الكاثود لبطارية الليثيوم أيون

1. خصائص درجة الحرارة المنخفضة لمواد القطب الموجب ذات الطبقات

1. خصائص درجة الحرارة المنخفضة لمواد الكاثود ذات الهيكل الطبقي

يعد الهيكل ذو الطبقات، مع أداء معدل لا مثيل له مقارنة بقنوات نشر أيون الليثيوم أحادية البعد والاستقرار الهيكلي للقنوات ثلاثية الأبعاد، أول مادة إلكترود موجبة متاحة تجاريًا لبطاريات الليثيوم أيون. وتشمل المواد الممثلة له LiCoO2، Li (Co1 xNix) O2، وLi (Ni, Co, Mn) O2.

لا يتمتع الهيكل ذو الطبقات بأداء لا مثيل له لقنوات نشر أيونات الليثيوم أحادية البعد فحسب، بل يتمتع أيضًا بالاستقرار الهيكلي للقنوات ثلاثية الأبعاد، وهو أقدم مادة كاثود لبطارية ليثيوم أيون تجارية. وتشمل المواد التمثيلية له LiCoO2، Li(Co1-xNix)O2 وLi(Ni,Co,Mn)O2، إلخ.

شيه شياو هوا وآخرون. درس LiCoO2/MCMB واختبر خصائص الشحن والتفريغ في درجات الحرارة المنخفضة.

استخدم Xie Xiaohua وآخرون LiCoO2/MCMB ككائن بحثي واختبروا خصائص الشحن والتفريغ في درجات الحرارة المنخفضة.

وأظهرت النتائج أنه مع انخفاض درجة الحرارة، انخفضت هضبة التفريغ من 3.762 فولت (0 درجة مئوية) إلى 3.207 فولت (-30 درجة مئوية)؛ كما انخفض إجمالي سعة البطارية بشكل حاد من 78.98 مللي أمبير · ساعة (0 درجة مئوية) إلى 68.55 مللي أمبير · ساعة (-30 درجة مئوية).

تظهر النتائج أنه مع انخفاض درجة الحرارة، تنخفض منصة التفريغ الخاصة بها من 3.762 فولت (0 درجة مئوية) إلى 3.207 فولت (-30 درجة مئوية) كما تنخفض سعة البطارية الإجمالية بشكل حاد من 78.98 مللي أمبير في الساعة (0 درجة مئوية) إلى 68.55 مللي أمبير في الساعة؛ (-30 درجة مئوية).

2. خصائص درجة الحرارة المنخفضة لمواد الكاثود الهيكلية للإسبنيل

2. خصائص درجة الحرارة المنخفضة لمواد الكاثود ذات هيكل الإسبنيل

تتميز مادة الكاثود LiMn2O4 ذات هيكل الإسبنيل بمزايا التكلفة المنخفضة وعدم السمية نظرًا لغياب عنصر Co.

لا تحتوي مادة الكاثود ذات هيكل الإسبنيل LiMn2O4 على عنصر Co، لذلك فهي تتميز بمزايا التكلفة المنخفضة وعدم السمية.

ومع ذلك، فإن حالات التكافؤ المتغيرة لـ Mn وتأثير Jahn Teller لـ Mn3+ تؤدي إلى عدم الاستقرار الهيكلي وضعف إمكانية عكس هذا المكون.

ومع ذلك، فإن حالة التكافؤ المتغيرة لـ Mn وتأثير Jahn-Teller لـ Mn3+ تؤدي إلى عدم الاستقرار الهيكلي وضعف إمكانية عكس هذا المكون.

بنغ تشنغشون وآخرون. وأشار إلى أن طرق التحضير المختلفة لها تأثير كبير على الأداء الكهروكيميائي لمواد الكاثود LiMn2O4. خذ Rct كمثال: إن Rct لـ LiMn2O4 الذي تم تصنيعه بواسطة طريقة الطور الصلب ذو درجة الحرارة العالية أعلى بكثير من ذلك الذي تم تصنيعه بواسطة طريقة sol gel، وتنعكس هذه الظاهرة أيضًا في معامل انتشار أيون الليثيوم. السبب الرئيسي لذلك هو أن طرق التوليف المختلفة لها تأثير كبير على تبلور المنتجات ومورفولوجيتها.

أشار Peng Zhengshun وآخرون إلى أن طرق التحضير المختلفة لها تأثير أكبر على الأداء الكهروكيميائي لمواد الكاثود LiMn2O4 بأخذ Rct كمثال: إن Rct لـ LiMn2O4 المُصنَّع بواسطة طريقة الطور الصلب ذات درجة الحرارة العالية أعلى بكثير من تلك المُصنَّعة. بطريقة السول جل، وتحدث هذه الظاهرة في أيونات الليثيوم، وتنعكس أيضاً في معامل الانتشار. السبب الرئيسي هو أن طرق التوليف المختلفة لها تأثير أكبر على تبلور المنتج وشكله.

3. خصائص درجات الحرارة المنخفضة لمواد كاثود النظام الفوسفاتي

3. خصائص درجات الحرارة المنخفضة لمواد كاثود النظام الفوسفاتي

أصبح LiFePO4، جنبًا إلى جنب مع المواد الثلاثية، مادة القطب الموجب الرئيسية لبطاريات الطاقة نظرًا لاستقرارها وسلامتها الممتازة في الحجم. 

لا تحتوي مادة الكاثود ذات هيكل الإسبنيل LiMn2O4 على عنصر Co، لذلك فهي تتميز بمزايا التكلفة المنخفضة وعدم السمية.

ضعف أداء فوسفات الحديد الليثيوم في درجات الحرارة المنخفضة يرجع بشكل رئيسي إلى كون مادته عازلة، وانخفاض الموصلية الإلكترونية، وضعف انتشار أيون الليثيوم، وضعف التوصيل في درجات الحرارة المنخفضة، مما يزيد من المقاومة الداخلية للبطارية ويتأثر بشكل كبير بالاستقطاب ، مما يعيق شحن البطارية وتفريغها، مما يؤدي إلى أداء غير مرض في درجات الحرارة المنخفضة.

نظرًا لثباته وأمانه الممتازين في الحجم، أصبح LiFePO4، جنبًا إلى جنب مع المواد الثلاثية، الجسم الرئيسي لمواد الكاثود الحالية لبطاريات الطاقة. يرجع ضعف أداء فوسفات حديد الليثيوم في درجات الحرارة المنخفضة بشكل أساسي إلى أن المادة نفسها عازلة، ذات موصلية إلكترونية منخفضة، وضعف انتشار أيونات الليثيوم، وضعف التوصيل في درجات حرارة منخفضة، مما يزيد من المقاومة الداخلية للبطارية ويتأثر بشكل كبير يتم حظر شحن البطارية وتفريغها، لذا فإن الأداء في درجات الحرارة المنخفضة ليس مثاليًا.

عند دراسة سلوك الشحن والتفريغ لـ LiFePO4 في درجات حرارة منخفضة، قام Gu Yijie et al. وجد أن كفاءته الكولومبية انخفضت من 100% عند 55 درجة مئوية إلى 96% عند درجة 0 درجة مئوية و64% عند -20 درجة مئوية، على التوالي؛ ينخفض ​​جهد التفريغ من 3.11 فولت عند 55 درجة مئوية إلى 2.62 فولت عند -20 درجة مئوية.

عندما قام جو ييجي وزملاؤه بدراسة سلوك الشحن والتفريغ لـ LiFePO4 عند درجات حرارة منخفضة، وجدوا أن كفاءته الكولومية انخفضت من 100% عند 55 درجة مئوية إلى 96% عند 0 درجة مئوية، و64% عند 20 درجة مئوية تحت الصفر انخفض الجهد من 3.11 فولت عند 55 درجة مئوية إلى 2.62 فولت عند -20 درجة مئوية.

شينغ وآخرون. قام بتعديل LiFePO4 باستخدام الكربون النانوي ووجد أن إضافة عوامل موصلة من الكربون النانوي قللت من حساسية الأداء الكهروكيميائي لـ LiFePO4 تجاه درجة الحرارة وحسّنت أداءه في درجات الحرارة المنخفضة؛ انخفض جهد التفريغ لـ LiFePO4 المعدل من 3.40 فولت عند 25 درجة مئوية إلى 3.09 فولت عند -25 درجة مئوية، بانخفاض قدره 9.12% فقط؛ وتبلغ كفاءة البطارية 57.3% عند -25 درجة مئوية، وهي أعلى من 53.4% ​​بدون عوامل موصلة من الكربون النانوي.

استخدم شينغ وآخرون الكربون النانوي لتعديل LiFePO4 ووجدوا أنه بعد إضافة عامل موصل من الكربون النانوي، كانت الخواص الكهروكيميائية لـ LiFePO4 أقل حساسية لدرجة الحرارة وتم تحسين الأداء في درجات الحرارة المنخفضة بعد التعديل، وزاد جهد تفريغ LiFePO4 من 3.40 إلى 3.40؛ عند 25 درجة مئوية، انخفض الجهد إلى 3.09 فولت عند -25 درجة مئوية، بانخفاض قدره 9.12% فقط، وكانت كفاءة البطارية عند -25 درجة مئوية 57.3%، وهي أعلى من 53.4% ​​بدون عامل موصل من الكربون النانوي.

في الآونة الأخيرة، أثار LiMnPO4 اهتمامًا قويًا بين الناس. لقد وجدت الأبحاث أن LiMnPO4 يتمتع بمزايا مثل الإمكانات العالية (4.1 فولت)، وعدم التلوث، والسعر المنخفض، والقدرة النوعية الكبيرة (170 مللي أمبير/جرام). ومع ذلك، نظرًا لانخفاض التوصيل الأيوني لـ LiMnPO4 مقارنة بـ LiFePO4، غالبًا ما يستخدم Fe لاستبدال Mn جزئيًا لتكوين LiMn0.8Fe0.2PO4 محاليل صلبة في الممارسة العملية.

في الآونة الأخيرة، اجتذب LiMnPO4 اهتمامًا كبيرًا. لقد وجدت الأبحاث أن LiMnPO4 يتمتع بمزايا الإمكانات العالية (4.1 فولت)، وعدم التلوث، والسعر المنخفض، والقدرة النوعية الكبيرة (170 مللي أمبير/جرام). ومع ذلك، نظرًا لانخفاض التوصيل الأيوني لـ LiMnPO4 مقارنة بـ LiFePO4، غالبًا ما يستخدم Fe ليحل محل Mn جزئيًا في الممارسة العملية لتكوين محلول صلب LiMn0.8Fe0.2PO4.

خصائص درجة الحرارة المنخفضة لمواد القطب السالب لبطاريات الليثيوم أيون

خصائص درجات الحرارة المنخفضة لمواد أنود بطارية الليثيوم أيون

بالمقارنة مع مواد القطب الموجب، فإن ظاهرة التحلل في درجات الحرارة المنخفضة لمواد القطب السالب في بطاريات الليثيوم أيون تكون أكثر خطورة، ويرجع ذلك أساسًا إلى الأسباب الثلاثة التالية:

بالمقارنة مع المواد الكاثودية، فإن التدهور في درجات الحرارة المنخفضة لمواد الأنود لبطارية الليثيوم أيون أكثر خطورة. هناك ثلاثة أسباب رئيسية:

• أثناء الشحن والتفريغ بمعدل درجة حرارة منخفضة، يكون استقطاب البطارية شديدًا، وكمية كبيرة من رواسب معدن الليثيوم على سطح القطب السالب، ومنتجات التفاعل بين معدن الليثيوم والكهارل بشكل عام لا تحتوي على موصلية؛
• عند الشحن والتفريغ في درجات حرارة منخفضة وبمعدلات عالية، تكون البطارية مستقطبة بشدة، وتترسب كمية كبيرة من الليثيوم المعدني على سطح القطب السالب، ومنتج التفاعل بين الليثيوم المعدني والكهارل غير موصل بشكل عام؛
  
• من منظور ديناميكي حراري، يحتوي المنحل بالكهرباء على عدد كبير من المجموعات القطبية مثل CO وC-N، والتي يمكن أن تتفاعل مع مواد القطب السالب، مما يؤدي إلى أفلام SEI التي تكون أكثر عرضة لتأثيرات درجات الحرارة المنخفضة؛
• من وجهة نظر الديناميكية الحرارية، يحتوي المنحل بالكهرباء على عدد كبير من المجموعات القطبية مثل C-O وC-N، والتي يمكن أن تتفاعل مع مادة الأنود، ويكون فيلم SEI المتكون أكثر عرضة لدرجة الحرارة المنخفضة؛
  
• من الصعب تضمين الليثيوم في أقطاب الكربون السالبة عند درجات حرارة منخفضة، مما يؤدي إلى الشحن والتفريغ غير المتماثل.
• من الصعب على أقطاب الكربون السالبة إدخال الليثيوم في درجات حرارة منخفضة، وهناك عدم تناسق في الشحن والتفريغ.
  

بحث عن الشوارد ذات درجة الحرارة المنخفضة

بحث عن المنحل بالكهرباء في درجة حرارة منخفضة

يلعب الإلكتروليت دورًا في نقل Li+ في بطاريات الليثيوم أيون، كما أن موصلية الأيونات وأداء تكوين فيلم SEI لهما تأثير كبير على أداء البطارية في درجات الحرارة المنخفضة. هناك ثلاثة مؤشرات رئيسية للحكم على جودة الشوارد ذات درجات الحرارة المنخفضة: الموصلية الأيونية، والنافذة الكهروكيميائية، ونشاط تفاعل القطب. ويعتمد مستوى هذه المؤشرات الثلاثة إلى حد كبير على المواد المكونة لها: المذيبات، والكهارل (أملاح الليثيوم)، والمواد المضافة. ولذلك، فإن دراسة أداء درجات الحرارة المنخفضة لأجزاء مختلفة من المنحل بالكهرباء لها أهمية كبيرة لفهم وتحسين أداء البطاريات في درجات الحرارة المنخفضة.

يلعب الإلكتروليت دورًا في نقل Li+ في بطاريات الليثيوم أيون، كما أن موصليته الأيونية وخصائص تشكيل غشاء SEI لها تأثير كبير على أداء البطارية في درجات الحرارة المنخفضة. هناك ثلاثة مؤشرات رئيسية للحكم على جودة الشوارد ذات درجات الحرارة المنخفضة: الموصلية الأيونية والنافذة الكهروكيميائية وتفاعل القطب. وتعتمد مستويات هذه المؤشرات الثلاثة إلى حد كبير على المواد المكونة لها: المذيبات، والكهارل (ملح الليثيوم)، والمواد المضافة. ولذلك، فإن دراسة خصائص درجات الحرارة المنخفضة لأجزاء مختلفة من المنحل بالكهرباء لها أهمية كبيرة لفهم وتحسين أداء درجات الحرارة المنخفضة للبطارية.

• بالمقارنة مع الكربونات المتسلسلة، تتمتع الإلكتروليتات المعتمدة على EC ببنية مدمجة، وقوة تفاعل عالية، ونقطة انصهار ولزوجة أعلى. ومع ذلك، فإن القطبية الكبيرة التي يجلبها الهيكل الدائري غالبًا ما تؤدي إلى ارتفاع ثابت العزل الكهربائي. إن ثابت العزل الكهربائي العالي، والتوصيل الأيوني العالي، والأداء الممتاز لتشكيل الفيلم لمذيبات EC يمنع بشكل فعال الإدخال المشترك لجزيئات المذيبات، مما يجعلها لا غنى عنها. لذلك، تعتمد أنظمة الإلكتروليت ذات درجة الحرارة المنخفضة الأكثر استخدامًا على EC ويتم مزجها مع مذيبات جزيئات صغيرة ذات نقطة انصهار منخفضة.
• بالمقارنة مع الكربونات المتسلسلة، فإن خصائص درجة الحرارة المنخفضة للإلكتروليتات المعتمدة على المجموعة الأوروبية هي أن الكربونات الحلقية لها بنية محكمة وقوة قوية ونقطة انصهار ولزوجة أعلى. ومع ذلك، فإن القطبية الكبيرة التي يجلبها هيكل الحلقة غالبًا ما تجعلها تحتوي على ثابت عازل كبير. يمنع ثابت العزل الكهربائي الكبير، والتوصيل الأيوني العالي، وخصائص تشكيل الفيلم الممتازة لمذيبات EC بشكل فعال الإدخال المشترك لجزيئات المذيبات، مما يجعلها لا غنى عنها. لذلك، تعتمد أنظمة الإلكتروليت ذات درجة الحرارة المنخفضة الأكثر استخدامًا على EC ثم يتم خلطها بشكل صغير جزيء مذيب ذو نقطة انصهار منخفضة.
  
• أملاح الليثيوم هي عنصر مهم من الشوارد. لا يمكن لأملاح الليثيوم الموجودة في الإلكتروليتات تحسين التوصيل الأيوني للمحلول فحسب، بل يمكنها أيضًا تقليل مسافة انتشار Li+ في المحلول. بشكل عام، كلما زاد تركيز Li+ في المحلول، زادت الموصلية الأيونية. ومع ذلك، فإن تركيز أيونات الليثيوم في المنحل بالكهرباء لا يرتبط خطيًا بتركيز أملاح الليثيوم، بل يظهر شكلًا مكافئًا. وذلك لأن تركيز أيونات الليثيوم في المذيب يعتمد على قوة تفكك وارتباط أملاح الليثيوم في المذيب.

• ملح الليثيوم هو عنصر مهم في المنحل بالكهرباء. لا يمكن لملح الليثيوم الموجود في المنحل بالكهرباء أن يزيد التوصيل الأيوني للمحلول فحسب، بل يقلل أيضًا من مسافة انتشار Li+ في المحلول. بشكل عام، كلما زاد تركيز Li+ في المحلول، زادت الموصلية الأيونية. ومع ذلك، فإن تركيز أيون الليثيوم في المنحل بالكهرباء لا يرتبط خطيًا بتركيز ملح الليثيوم، ولكنه مكافئ. وذلك لأن تركيز أيونات الليثيوم في المذيب يعتمد على قوة تفكك وارتباط ملح الليثيوم في المذيب.

  
  

بحث عن الشوارد ذات درجة الحرارة المنخفضة

بحث عن المنحل بالكهرباء في درجة حرارة منخفضة

بالإضافة إلى تكوين البطارية نفسها، يمكن أن يكون لعوامل المعالجة في التشغيل العملي أيضًا تأثير كبير على أداء البطارية.

بالإضافة إلى تكوين البطارية نفسها، سيكون لعوامل المعالجة في التشغيل الفعلي أيضًا تأثير كبير على أداء البطارية.

(1) عملية التحضير. يعقوب وآخرون. درست تأثير حمل القطب وسمك الطلاء على أداء درجات الحرارة المنخفضة لبطاريات LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite ووجدت أنه من حيث الاحتفاظ بالسعة، كلما كان حمل القطب أصغر وكانت طبقة الطلاء أرق، كان ذلك أفضل. أداء درجات الحرارة المنخفضة.

(1) عملية التحضير. قام يعقوب وآخرون بدراسة تأثيرات حمل القطب وسمك الطلاء على أداء بطاريات LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite في درجات الحرارة المنخفضة، ووجدوا أنه من حيث الاحتفاظ بالسعة، كلما كان حمل القطب أصغر وكانت طبقة الطلاء أرق. كلما كان أداء درجات الحرارة المنخفضة أفضل.

(2) حالة الشحن والتفريغ. بيتزل وآخرون. درست تأثير ظروف الشحن والتفريغ ذات درجة الحرارة المنخفضة على دورة حياة البطاريات، ووجدت أنه عندما يكون عمق التفريغ كبيرًا، فسوف يتسبب ذلك في فقدان كبير للسعة ويقلل من عمر الدورة.

(2) حالة الشحن والتفريغ. قام بيتزل وآخرون بدراسة تأثير حالات الشحن والتفريغ في درجات الحرارة المنخفضة على عمر دورة البطارية، ووجدوا أنه عندما يكون عمق التفريغ كبيرًا، فإنه سيؤدي إلى فقدان أكبر للسعة وتقليل عمر الدورة.

(3) عوامل أخرى. تؤثر مساحة السطح وحجم المسام وكثافة القطب وقابلية البلل بين القطب والكهارل والفاصل على أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن تجاهل تأثير عيوب المواد والعمليات على أداء البطاريات في درجات الحرارة المنخفضة.

(3) عوامل أخرى. تؤثر مساحة السطح وحجم المسام وكثافة القطب الكهربائي وقابلية بلل القطب والكهارل والفاصل على أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن تجاهل تأثير العيوب في المواد والعمليات على أداء البطاريات في درجات الحرارة المنخفضة.

ملخص

لخص

لضمان أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة، يجب القيام بالنقاط التالية بشكل جيد:

(1) تشكيل فيلم SEI رقيق وكثيف؛

(2) التأكد من أن Li+ يتمتع بمعامل انتشار عالٍ في المادة الفعالة؛

(3) تتمتع الإلكتروليتات بموصلية أيونية عالية عند درجات الحرارة المنخفضة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يتخذ البحث نهجًا مختلفًا ويركز على نوع آخر من بطاريات الليثيوم أيون - جميع بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة. بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، من المتوقع أن تحل جميع بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة، وخاصة جميع بطاريات الليثيوم أيون ذات الأغشية الرقيقة ذات الحالة الصلبة، حلًا كاملاً لتدهور السعة وقضايا سلامة تدوير البطاريات المستخدمة في درجات حرارة منخفضة.

من أجل ضمان أداء بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة، يجب القيام بالنقاط التالية:

(1) تشكيل فيلم SEI رقيق وكثيف؛

(2) التأكد من أن Li+ له معامل انتشار كبير في المادة الفعالة؛

(3) يتمتع الإلكتروليت بموصلية أيونية عالية عند درجات حرارة منخفضة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن للبحث أيضًا إيجاد طريقة أخرى للتركيز على نوع آخر من بطاريات الليثيوم أيون، وهي بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة بالكامل. بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، من المتوقع أن تحل بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة بالكامل، وخاصة بطاريات الليثيوم أيون ذات الأغشية الرقيقة ذات الحالة الصلبة بالكامل، مشكلة توهين السعة وقضايا سلامة دورة البطاريات المستخدمة في درجات الحرارة المنخفضة.