Metodo di miglioramento delle prestazioni della batteria agli ioni di litio a bassa temperatura

I principali fattori per le scarse prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio sono ancora dibattuti. I motivi principali sono: la viscosità dell'elettrolita aumenta alle basse temperature e la conducibilità diminuisce; la resistenza della membrana dell'interfaccia elettrolita / elettrodo e la resistenza al trasferimento di carica aumentano; gli ioni di litio sono nel corpo del materiale attivo La velocità di migrazione nel mezzo diminuisce. Di conseguenza, la polarizzazione dell'elettrodo a basse temperature aumenta e la capacità di carica e scarica diminuisce.

Durante la carica a bassa temperatura di batterie agli ioni di litio, in particolare durante la carica ad alta velocità a bassa temperatura, si verificheranno precipitazione e deposito di litio metallico nell'elettrodo negativo. Il litio metallico depositato reagisce facilmente in modo irreversibile con l'elettrolita e consuma una grande quantità di elettrolita. Allo stesso tempo, lo spessore del film SEI viene ulteriormente aumentato, con conseguente aumento dell'impedenza del film superficiale dell'elettrodo negativo della batteria e la polarizzazione della batteria aumenta di nuovo, il che danneggerà notevolmente le prestazioni a bassa temperatura, ciclo di vita e prestazioni di sicurezza della batteria.

Metodo di miglioramento delle prestazioni della batteria agli ioni di litio a bassa temperatura Un metodo di modifica per migliorare le prestazioni a bassa temperatura della batteria da tre aspetti: elettrodo positivo, elettrolita ed elettrodo negativo.

1. Materiale catodico

I modi principali per migliorare le prestazioni di diffusione ionica dei materiali catodici a bassa temperatura sono:

1 Il metodo di rivestimento superficiale del corpo del materiale attivo con materiali a conducibilità eccellente migliora la conduttività dell'interfaccia del materiale dell'elettrodo positivo, riduce l'impedenza dell'interfaccia, riduce le reazioni laterali del materiale dell'elettrodo positivo e dell'elettrolita e stabilizza la struttura del materiale.

2 Il corpo del materiale viene drogato alla rinfusa con Mn, Al, Cr, Mg, F e altri elementi e la spaziatura tra gli strati del materiale viene aumentata per aumentare la velocità di diffusione di Li + nel corpo, ridurre la diffusione resistenza di Li + e migliorare le prestazioni a bassa temperatura della batteria.

3 Ridurre la dimensione delle particelle di materiale e accorciare il percorso di migrazione del Li +. Va sottolineato che questo metodo aumenterà la superficie specifica del materiale e aumenterà la reazione laterale con l'elettrolita.

2. Elettrolita

In quanto parte importante della batteria agli ioni di litio, l'elettrolita non solo determina il tasso di migrazione di Li + nella fase liquida, ma partecipa anche alla formazione della pellicola SEI, che svolge un ruolo chiave nelle prestazioni di il film SEI. A basse temperature, la viscosità dell'elettrolita aumenta, la conduttività diminuisce, l'impedenza del film SEI aumenta e la compatibilità con i materiali positivi e negativi si deteriora, il che deteriora notevolmente la densità di energia e le prestazioni del ciclo della batteria.

Al momento, ci sono due modi per migliorare le prestazioni a bassa temperatura attraverso l'elettrolita:

(1) Migliorare la conduttività a bassa temperatura dell'elettrolita ottimizzando la composizione del solvente e utilizzando nuovi sali elettrolitici;

(2) Utilizzare nuovi additivi per migliorare le proprietà del film SEI, rendendolo favorevole alla conduzione di Li + a basse temperature.

1 Ottimizza la composizione del solvente

La prestazione a bassa temperatura dell'elettrolita è determinata principalmente dal suo punto eutettico a bassa temperatura. Se il punto di fusione è troppo alto, l'elettrolita è facile da cristallizzare a basse temperature, il che influirà seriamente sulla conduttività dell'elettrolita. Il carbonato di etilene (EC) è il principale componente solvente dell'elettrolita, ma il suo punto di fusione è di 36 ° C e la sua solubilità nell'elettrolita diminuisce o addirittura precipita a basse temperature, il che ha un impatto maggiore sulle prestazioni a bassa temperatura del batteria. Aggiungendo componenti a basso punto di fusione e bassa viscosità per ridurre il contenuto di EC del solvente, la viscosità e il punto eutettico dell'elettrolita a basse temperature possono essere ridotti efficacemente e la conduttività dell'elettrolita può essere migliorata.

2 Nuovo sale elettrolitico

Il sale elettrolitico è uno dei componenti importanti dell'elettrolito ed è anche un fattore chiave per ottenere eccellenti prestazioni a bassa temperatura. Al momento, il sale elettrolitico commerciale è esafluorofosfato di litio e il film SEI formato ha una grande impedenza, con conseguente scarsa prestazione a bassa temperatura. Lo sviluppo di un nuovo tipo di sale di litio è imminente. Il tetrafluoroborato di litio ha un piccolo raggio anionico, è facile da associare e ha una conduttività inferiore rispetto a LiPF6, ma ha una bassa resistenza al trasferimento di carica a basse temperature e ha buone prestazioni a bassa temperatura come sale elettrolitico.

3 additivi

La pellicola SEI ha un effetto molto importante sulle prestazioni a bassa temperatura della batteria. È un conduttore ionico e un isolante elettronico ed è un canale per Li + per raggiungere la superficie dell'elettrodo dalla fase liquida. A basse temperature, l'impedenza della pellicola SEI aumenta e la velocità di diffusione di Li + nella pellicola SEI diminuisce drasticamente, il che aumenta l'accumulo di cariche sulla superficie dell'elettrodo, con conseguente diminuzione del litio capacità di inserzione della grafite e aumento della polarizzazione. Ottimizzando la composizione e le condizioni di formazione del film del film SEI, il miglioramento della conduttività ionica del film SEI a basse temperature è vantaggioso per il miglioramento delle prestazioni a bassa temperatura della batteria. Pertanto, lo sviluppo di additivi filmogeni con eccellenti prestazioni a bassa temperatura è un punto critico della ricerca attuale.

In sintesi, la conduttività e la resistenza alla formazione di pellicola dell'elettrolita hanno un'influenza importante sulle prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio. Per l'elettrolita a bassa temperatura, dovrebbe essere ottimizzato in modo completo da tre aspetti: sistema di solventi elettrolitici, sale di litio e additivi. Per il solvente elettrolitico, dovrebbe essere selezionato un sistema solvente con basso punto di fusione, bassa viscosità e alta costante dielettrica. I solventi carbossilati lineari hanno eccellenti prestazioni a bassa temperatura, ma hanno un impatto maggiore sulle prestazioni del ciclo e devono abbinare l'acido carbonico ciclico con un'elevata costante dielettrica Miscelazione di esteri come EC e PC; per i sali di litio e gli additivi, la considerazione principale è quella di ridurre la resistenza alla formazione del film e aumentare la velocità di migrazione degli ioni di litio. Inoltre, l'aumento appropriato della concentrazione di sale di litio a basse temperature può aumentare la conduttività dell'elettrolita e aumentare le prestazioni a bassa temperatura.

3. Materiale anodico

Il deterioramento delle condizioni cinetiche di diffusione degli ioni di litio nei materiali degli anodi di carbonio è la ragione principale che limita le prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio. Pertanto, la polarizzazione elettrochimica dell'anodo viene notevolmente intensificata durante il processo di carica, il che porta facilmente alla precipitazione del litio metallico sulla superficie dell'anodo.

La scelta di un materiale anodico adatto è un fattore chiave per migliorare le prestazioni a bassa temperatura della batteria. Allo stato attuale, l'ottimizzazione delle prestazioni a bassa temperatura viene effettuata principalmente attraverso i metodi di trattamento superficiale dell'anodo, rivestimento superficiale, drogaggio per aumentare la spaziatura degli strati e controllo della dimensione delle particelle.

1 Trattamento superficiale

Il trattamento superficiale include l'ossidazione superficiale e la fluorurazione. Il trattamento superficiale può ridurre i siti attivi sulla superficie della grafite, ridurre la perdita di capacità irreversibile e può generare più pori della micro-nanostruttura, che favoriscono la trasmissione di Li + e riducono l'impedenza.

2 Rivestimento superficiale

I rivestimenti superficiali come il rivestimento in carbonio e il rivestimento in metallo possono non solo evitare il contatto diretto tra l'elettrodo negativo e l'elettrolita, migliorare la compatibilità dell'elettrolita e dell'elettrodo negativo, ma anche aumentare la conduttività della grafite, fornire più siti di inserimento del litio e rendere Riduzione irreversibile della capacità. Inoltre, la distanza tra gli strati di carbonio morbido o materiale di carbonio duro è maggiore di quella della grafite. Il rivestimento di uno strato di carbonio morbido o materiale di carbonio duro sull'elettrodo negativo facilita la diffusione degli ioni di litio e riduce la resistenza del film SEI, migliorando così le prestazioni a bassa temperatura della batteria. Il rivestimento superficiale di una piccola quantità di Ag migliora la conduttività del materiale dell'elettrodo negativo, conferendogli eccellenti prestazioni elettrochimiche a basse temperature.

3 Aumentare la spaziatura tra gli strati di grafite

L'anodo di grafite ha una piccola spaziatura tra gli strati e la velocità di diffusione degli ioni di litio tra gli strati di grafite a basse temperature diminuisce, con conseguente aumento della polarizzazione. L'introduzione di B, N, S, K e altri elementi nel processo di preparazione della grafite può modificare la struttura della grafite e aumentare la distanza tra gli strati della grafite migliora la sua capacità di rilasciare / intercalare il litio. Il raggio atomico di P (0.106pm) è maggiore di quello di C (0.077pm). Il drogaggio P può aumentare la spaziatura tra gli strati della grafite, aumentare la capacità di diffusione degli ioni di litio e possibilmente migliorarla. Il contenuto di cristalliti di grafite nei materiali di carbonio. L'introduzione di K nel materiale di carbonio formerà il composto di intercalazione KC8. Quando il potassio viene rimosso, la distanza tra gli strati del materiale di carbonio aumenterà, il che è vantaggioso per il rapido inserimento del litio, migliorando così le prestazioni a bassa temperatura della batteria.

4 Controllare la dimensione delle particelle dell'elettrodo negativo

Maggiore è la dimensione delle particelle dell'elettrodo negativo, più lungo è il percorso di diffusione degli ioni di litio e maggiore è la resistenza alla diffusione, che porta a una maggiore polarizzazione della concentrazione e scarse prestazioni a bassa temperatura. Pertanto, ridurre adeguatamente la dimensione delle particelle del materiale dell'elettrodo negativo può effettivamente ridurre la distanza di migrazione degli ioni di litio tra gli strati di grafite, ridurre la resistenza alla diffusione, aumentare l'area di infiltrazione dell'elettrolito e migliorare le prestazioni a bassa temperatura della batteria. Inoltre, l'elettrodo negativo di grafite granulato da una singola particella di piccole dimensioni ha un'isotropia più elevata, può fornire più siti di inserimento del litio, ridurre la polarizzazione e può migliorare significativamente le prestazioni a bassa temperatura della batteria.

Le prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio sono un fattore chiave che limita l'applicazione delle batterie al litio. Come migliorare le prestazioni a bassa temperatura delle batterie al litio è ancora un punto caldo e difficile della ricerca attuale. Per migliorare le prestazioni a bassa temperatura delle batterie al litio, è necessario considerare l'influenza di fattori globali come l'elettrodo positivo, l'elettrodo negativo e l'elettrolito nella batteria. Ottimizzando il solvente elettrolitico, gli additivi e la composizione del sale di litio, la conduttività dell'elettrolita è migliorata e la resistenza alla formazione del film è ridotta; Il materiale dell'elettrodo viene sottoposto a trattamenti di modifica come drogaggio, rivestimento e granulazione per ottimizzare la struttura del materiale e ridurre la resistenza di interfaccia e la resistenza alla diffusione di Li + nel corpo del materiale attivo. Attraverso l'ottimizzazione complessiva del sistema della batteria, la polarizzazione della batteria al litio a basse temperature viene ridotta e le prestazioni a bassa temperatura della batteria vengono ulteriormente migliorate.