С бързото развитие на електрическите превозни средства в световен мащаб, размерът на пазара на електрически превозни средства достигна $1 трилион през 2020 г. и ще продължи да расте с над 20% годишно в бъдеще. Следователно, електрическите превозни средства като основен начин на транспортиране, изискванията за производителност на захранващите батерии ще бъдат все по-високи и не трябва да се пренебрегва въздействието на разпада на батерията върху работата на захранващата батерия в среда с ниска температура. Основните причини за разпадането на батерията в среда с ниска температура са: Първо, ниската температура засяга малкото вътрешно съпротивление на батерията, зоната на термична дифузия е голяма и вътрешното съпротивление на батерията се увеличава. Второ, батерията вътре и извън капацитета за пренос на заряд е лоша, деформацията на батерията ще настъпи, когато локалната необратима поляризация. Трето, ниската температура на движението на молекулите на електролита е бавна и трудна за дифузия във времето, когато температурата се повиши. Следователно разпадането на батерията при ниска температура е сериозно, което води до сериозно влошаване на производителността на батерията.
1、Състоянието на технологията за батерии с ниска температура
Изискванията за технически и материални характеристики на литиево-йонните батерии, приготвени при ниски температури, са високи. Сериозното влошаване на производителността на литиево-йонната захранваща батерия при ниска температура се дължи на увеличаването на вътрешното съпротивление, което води до трудна дифузия на електролита и съкратен живот на клетъчния цикъл. Поради това изследванията на технологията за батерии с нискотемпературно захранване отбелязаха известен напредък през последните години. Традиционните високотемпературни литиево-йонни батерии имат лоша производителност при високи температури и работата им все още е нестабилна при условия на ниска температура; голям обем нискотемпературни клетки, нисък капацитет и лоша производителност при нискотемпературен цикъл; поляризацията е значително по-силна при ниска температура, отколкото при висока температура; повишеният вискозитет на електролита при ниска температура води до намаляване на броя на циклите на зареждане/разреждане; намалена безопасност на клетките и намален живот на батерията при ниска температура; и намалена производителност при използване при ниска температура. В допълнение, краткият живот на батерията при ниска температура и рисковете за безопасността на нискотемпературните клетки поставиха нови изисквания за безопасност на захранващите батерии. Ето защо, разработването на стабилни, безопасни, надеждни и дълготрайни материали за захранващи батерии за нискотемпературни среди е фокусът на изследванията върху нискотемпературните литиево-йонни батерии. Понастоящем има няколко материала за литиево-йонни батерии с ниска температура: (1) литиево-метални анодни материали: литиевият метал се използва широко в електрическите превозни средства поради високата си химическа стабилност, висока електрическа проводимост и характеристики на зареждане и разреждане при ниска температура; (2) въглеродните анодни материали се използват широко в електрическите превозни средства поради тяхната добра устойчивост на топлина, производителност при нискотемпературен цикъл, ниска електрическа проводимост и живот при ниски температури при ниски температури; (3) Въглеродните анодни материали се използват широко в електрически превозни средства поради тяхната добра устойчивост на топлина, производителност при нискотемпературен цикъл, ниска електрическа проводимост и живот при ниски температури. в; (3) органичните електролити имат добра производителност при ниска температура; (4) полимерни електролити: полимерните молекулни вериги са относително къси и имат висок афинитет; (5) неорганични материали: неорганичните полимери имат добри параметри на работа (проводимост) и добра съвместимост между електролитната активност; (6) металните оксиди са по-малко; (7) неорганични материали: неорганични полимери и др.
2、Ефектът на околната среда с ниска температура върху литиевата батерия
Животът на литиевите батерии зависи главно от процеса на разреждане, докато ниската температура е фактор, който оказва по-голямо влияние върху живота на литиевите продукти. Обикновено, при ниска температура на околната среда, повърхността на батерията ще претърпи фазова промяна, причиняваща увреждане на повърхностната структура, придружено от намаляване на капацитета и капацитета на клетката. При условия на висока температура в клетката се генерира газ, който ще ускори топлинната дифузия; при ниска температура, газът не може да се разреди навреме, ускорявайки промяната на фазата на течността на батерията; колкото по-ниска е температурата, толкова повече газ се генерира и толкова по-бавна е промяната на фазата на течността на батерията. Следователно промяната на вътрешния материал на батерията е по-драстична и сложна при ниска температура и е по-лесно да се генерират газове и твърди частици в материала на батерията; в същото време ниската температура ще доведе до поредица от разрушителни реакции като необратимо разкъсване на химична връзка на границата между катодния материал и електролита; това също ще доведе до намаляване на самосглобяването на електролита и живота на цикъла; способността за пренос на заряда на литиевите йони към електролита ще бъде намалена; процесът на зареждане и разреждане ще предизвика поредица от верижни реакции, като феномен на поляризация по време на прехвърляне на заряда на литиево-йонни батерии, намаляване на капацитета на батерията и освобождаване на вътрешно напрежение, което влияе върху живота на цикъла и енергийната плътност на литиево-йонните батерии и други функции. Колкото по-ниска е температурата при ниска температура, толкова по-интензивни и сложни са различните разрушителни реакции, като окислително-редукционна реакция на повърхността на батерията, термична дифузия, фазова промяна вътре в клетката и дори пълно разрушаване, на свой ред ще предизвикат серия от верижни реакции, като електролитни самосглобяване, колкото по-бавна е скоростта на реакцията, толкова по-сериозен е спадът на капацитета на батерията и толкова по-лоша е способността за миграция на заряда на литиевите йони при висока температура.
3、 Ниска температура върху напредъка на перспективите за изследване на технологиите за литиева батерия
В среда с ниска температура безопасността, жизненият цикъл и стабилността на температурата на клетката на батерията ще бъдат засегнати и въздействието на ниската температура върху живота на литиевите батерии не може да бъде пренебрегнато. Понастоящем научноизследователската и развойната дейност на технологията за батерии с ниска температура, използваща диафрагма, електролит, положителни и отрицателни електродни материали и други методи, постигнаха известен напредък. В бъдеще развитието на технологията за нискотемпературна литиева батерия трябва да се подобри от следните аспекти: (1) разработването на материална система от литиева батерия с висока енергийна плътност, дълъг живот, ниско затихване, малък размер и ниска цена при ниска температура ; (2) непрекъснато подобряване на контрола на вътрешното съпротивление на батерията чрез структурен дизайн и технология за подготовка на материала; (3) при разработването на евтина литиева батерийна система с голям капацитет трябва да се обърне внимание на електролитните добавки, литиево-йонните и анодните и катодните интерфейси и вътрешния активен материал и влиянието на други ключови фактори; (4) подобряване на производителността на цикъла на батерията (специфична енергия за зареждане и разреждане), термичната стабилност на батерията в среда с ниска температура, безопасността на литиевите батерии в среда с ниска температура и друга посока на развитие на технологията на батерията; (5) разработване на решения с високи показатели за безопасност, висока цена и ниска цена на батерийната система при ниски температурни условия; (6) разработване на продукти, свързани с батерии с ниска температура, и насърчаване на тяхното приложение; (7) разработване на високопроизводителни, устойчиви на ниски температури батерийни материали и технология за устройства.
Разбира се, в допълнение към горните изследователски насоки, има и много изследователски насоки за по-нататъшно подобряване на производителността на батерията при условия на ниска температура, подобряване на енергийната плътност на батериите с ниска температура, намаляване на разграждането на батерията в среда с ниска температура, удължаване на живота на батерията и други изследвания напредък; но по-важният въпрос е как да се постигне висока производителност, висока безопасност, ниска цена, голям обхват, дълъг живот и ниска цена. Комерсиализацията на батерии при ниски температурни условия е настояща. Изследванията трябва да се съсредоточат върху пробиването и решаването на проблема.
Време на публикуване: 22 ноември 2022 г