Método de mejora del rendimiento de la batería de iones de litio de baja temperatura

Los principales factores del bajo rendimiento a bajas temperaturas de las baterías de iones de litio aún se debaten. Las principales razones son: la viscosidad del electrolito aumenta a bajas temperaturas y la conductividad disminuye; la resistencia de la membrana de la interfaz electrolito / electrodo y la resistencia a la transferencia de carga aumentan; Los iones de litio están en el cuerpo del material activo. La tasa de migración en el medio disminuye. Como resultado, la polarización del electrodo a bajas temperaturas aumenta y la capacidad de carga y descarga disminuye.

Durante la carga a baja temperatura de las baterías de iones de litio, especialmente durante la carga de alta velocidad a baja temperatura, se producirán precipitaciones y depósitos de metal de litio en el electrodo negativo. El litio metálico depositado es fácil de reaccionar de forma irreversible con el electrolito y consume una gran cantidad de electrolito. Al mismo tiempo, el grosor de la película SEI aumenta aún más, lo que da como resultado que la impedancia de la película de la superficie del electrodo negativo de la batería aumente aún más y la polarización de la batería aumenta nuevamente, lo que dañará en gran medida el rendimiento a baja temperatura. ciclo de vida y rendimiento de seguridad de la batería.

Método de mejora del rendimiento de la batería de iones de litio de baja temperatura Un método de modificación para mejorar el rendimiento de la batería a baja temperatura desde tres aspectos: electrodo positivo, electrolito y electrodo negativo.

1. Material de cátodo

Las formas principales de mejorar el rendimiento de la difusión de iones de los materiales del cátodo a baja temperatura son:

1 El método de recubrimiento de la superficie del cuerpo del material activo con materiales de excelente conductividad mejora la conductividad de la interfaz del material del electrodo positivo, reduce la impedancia de la interfaz, al tiempo que reduce las reacciones secundarias del material del electrodo positivo y el electrolito, y estabiliza la estructura del material.

2 El cuerpo del material está dopado a granel con Mn, Al, Cr, Mg, F y otros elementos, y el espaciado de las capas del material se incrementa para incrementar la tasa de difusión de Li + en el cuerpo, reducir la difusión resistencia de Li + y mejorar el rendimiento a baja temperatura de la batería.

3 Reduzca el tamaño de las partículas del material y acorte la ruta de migración de Li +. Cabe señalar que este método aumentará el área superficial específica del material y aumentará la reacción secundaria con el electrolito.

2. Electrolito

Como parte importante de la batería de iones de litio, el electrolito no solo determina la tasa de migración de Li + en la fase líquida, sino que también participa en la formación de la película SEI, que desempeña un papel clave en el rendimiento de la película SEI. A bajas temperaturas, la viscosidad del electrolito aumenta, la conductividad disminuye, la impedancia de la película SEI aumenta y la compatibilidad con los materiales positivos y negativos se deteriora, lo que deteriora en gran medida la densidad de energía y el rendimiento del ciclo de la batería.

En la actualidad, existen dos formas de mejorar el rendimiento a baja temperatura mediante electrolitos:

(1) Mejorar la conductividad a baja temperatura del electrolito optimizando la composición del solvente y usando nuevas sales de electrolito;

(2) Utilice nuevos aditivos para mejorar las propiedades de la película SEI, haciéndola propicia para la conducción de Li + a bajas temperaturas.

1 Optimice la composición del disolvente

El rendimiento a baja temperatura del electrolito está determinado principalmente por su punto eutéctico a baja temperatura. Si el punto de fusión es demasiado alto, el electrolito es fácil de cristalizar a bajas temperaturas, lo que afectará seriamente la conductividad del electrolito. El carbonato de etileno (EC) es el principal componente disolvente del electrolito, pero su punto de fusión es de 36 ° C, y su solubilidad en el electrolito disminuye o incluso se precipita a bajas temperaturas, lo que tiene un mayor impacto en el desempeño a bajas temperaturas del batería. Añadiendo componentes de bajo punto de fusión y baja viscosidad para reducir el contenido de CE del disolvente, la viscosidad y el punto eutéctico del electrolito a bajas temperaturas pueden reducirse eficazmente y puede mejorarse la conductividad del electrolito.

2 nueva sal electrolítica

La sal de electrolito es uno de los componentes importantes del electrolito, y también es un factor clave para obtener un excelente rendimiento a baja temperatura. En la actualidad, la sal de electrolito comercial es hexafluorofosfato de litio y la película SEI formada tiene una gran impedancia, lo que da como resultado un rendimiento deficiente a baja temperatura. El desarrollo de un nuevo tipo de sal de litio es inminente. El tetrafluoroborato de litio tiene un radio aniónico pequeño, es fácil de asociar y tiene una conductividad más baja que el LiPF6, pero tiene una baja resistencia a la transferencia de carga a bajas temperaturas y tiene un buen rendimiento a bajas temperaturas como sal electrolítica.

3 aditivos

La película SEI tiene un efecto muy importante sobre el rendimiento de la batería a baja temperatura. Es un conductor iónico y un aislante electrónico, y es un canal para que el Li + llegue a la superficie del electrodo desde la fase líquida. A bajas temperaturas, la impedancia de la película SEI aumenta y la tasa de difusión de Li + en la película SEI disminuye bruscamente, lo que profundiza la acumulación de cargas en la superficie del electrodo, lo que resulta en una disminución del litio. capacidad de inserción del grafito y aumento de la polarización. Optimizando la composición y las condiciones de formación de película de la película SEI, mejorar la conductividad iónica de la película SEI a bajas temperaturas es beneficioso para mejorar el rendimiento de la batería a bajas temperaturas. Por lo tanto, el desarrollo de aditivos formadores de películas con un excelente rendimiento a bajas temperaturas es un punto de investigación actual.

En resumen, la conductividad y la resistencia a la formación de películas del electrolito tienen una influencia importante en el rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio. Para el electrolito de baja temperatura, debe optimizarse completamente desde tres aspectos: sistema de solvente de electrolito, sal de litio y aditivos. Para el solvente electrolítico, debe seleccionarse un sistema solvente con bajo punto de fusión, baja viscosidad y alta constante dieléctrica. Los disolventes de carboxilato lineal tienen un excelente rendimiento a baja temperatura, pero tienen un mayor impacto en el rendimiento del ciclo y necesitan igualar el ácido carbónico cíclico con una constante dieléctrica elevada. Mezcla de ésteres como EC y PC; para las sales de litio y los aditivos, la consideración principal es reducir la resistencia a la formación de películas y aumentar la tasa de migración de los iones de litio. Además, el aumento apropiado de la concentración de sal de litio a bajas temperaturas puede aumentar la conductividad del electrolito y aumentar el rendimiento a bajas temperaturas.

3. Material de ánodo

El deterioro de las condiciones cinéticas de difusión de los iones de litio en los materiales del ánodo de carbono es la principal razón que limita el rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, la polarización electroquímica del ánodo se intensifica significativamente durante el proceso de carga, lo que conduce fácilmente a la precipitación de litio metálico en la superficie del ánodo.

La elección de un material de ánodo adecuado es un factor clave para mejorar el rendimiento de la batería a baja temperatura. En la actualidad, la optimización del rendimiento a baja temperatura se lleva a cabo principalmente a través de los métodos de tratamiento de la superficie del ánodo, revestimiento de la superficie, dopaje para aumentar la separación de capas y control del tamaño de partícula.

1 tratamiento de superficie

El tratamiento de superficies incluye oxidación y fluoración de superficies. El tratamiento de la superficie puede reducir los sitios activos en la superficie de grafito, reducir la pérdida de capacidad irreversible y puede generar más poros de estructura micro-nano, lo que favorece la transmisión de Li + y reduce la impedancia.

2 revestimiento de superficie

Los recubrimientos de superficie como el recubrimiento de carbono y el recubrimiento de metal no solo pueden evitar el contacto directo entre el electrodo negativo y el electrolito, mejoran la compatibilidad del electrolito y el electrodo negativo, sino que también aumentan la conductividad del grafito, proporcionan más sitios de inserción de litio y hacen Reducción irreversible de capacidad. Además, la separación entre capas de carbono blando o material de carbono duro es mayor que la del grafito. El recubrimiento de una capa de carbono blando o material de carbono duro sobre el electrodo negativo facilita la difusión de iones de litio y reduce la resistencia de la película SEI, mejorando así el rendimiento de la batería a baja temperatura. El recubrimiento superficial de una pequeña cantidad de Ag mejora la conductividad del material del electrodo negativo, lo que lo hace tener un excelente rendimiento electroquímico a bajas temperaturas.

3 Aumente el espacio entre capas de grafito

El ánodo de grafito tiene un pequeño espaciado entre capas y la velocidad de difusión de iones de litio entre las capas de grafito a bajas temperaturas disminuye, lo que aumenta la polarización. La introducción de B, N, S, K y otros elementos en el proceso de preparación del grafito puede modificar la estructura del grafito y aumentarla. El espaciado entre capas de grafito mejora su capacidad para liberar / intercalar litio. El radio atómico de P (0.106pm) es mayor que el de C (0.077pm). El dopaje P puede aumentar el espaciado entre capas de grafito, mejorar la capacidad de difusión de los iones de litio y posiblemente mejorarla. El contenido de cristalitos de grafito en materiales de carbono. La introducción de K en el material de carbono formará el compuesto de intercalación KC8. Cuando se elimina el potasio, aumentará el espaciado entre capas del material de carbono, lo que es beneficioso para la rápida inserción de litio, mejorando así el rendimiento de la batería a baja temperatura.

4 Controle el tamaño de las partículas del electrodo negativo

Cuanto mayor sea el tamaño de partícula del electrodo negativo, mayor será la trayectoria de difusión de iones de litio y mayor será la resistencia a la difusión, lo que conduce a una mayor polarización de la concentración y un rendimiento deficiente a baja temperatura. Por lo tanto, la reducción adecuada del tamaño de partícula del material del electrodo negativo puede acortar eficazmente la distancia de migración de los iones de litio entre las capas de grafito, reducir la resistencia a la difusión, aumentar el área de infiltración del electrolito y mejorar el rendimiento de la batería a baja temperatura. Además, el electrodo negativo de grafito granulado por una partícula única de tamaño de partícula pequeño tiene una isotropía más alta, puede proporcionar más sitios de inserción de litio, reducir la polarización y puede mejorar significativamente el rendimiento de la batería a baja temperatura.

El rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio es un factor clave que restringe la aplicación de las baterías de litio. Cómo mejorar el rendimiento de las baterías de litio a baja temperatura sigue siendo un punto candente y difícil de la investigación actual. Para mejorar el rendimiento a baja temperatura de las baterías de litio, se debe considerar la influencia de factores integrales como el electrodo positivo, el electrodo negativo y el electrolito en la batería. Optimizando el solvente del electrolito, los aditivos y la composición de la sal de litio, se mejora la conductividad del electrolito y se reduce la resistencia a la formación de película; El material del electrodo se somete a tratamientos de modificación tales como dopaje, recubrimiento y granulación para optimizar la estructura del material y reducir la resistencia de la interfaz y la resistencia a la difusión de Li + en el cuerpo del material activo. Mediante la optimización general del sistema de batería, se reduce la polarización de la batería de litio a bajas temperaturas y se mejora aún más el rendimiento de la batería a bajas temperaturas.