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 въздействието на разпада на батерията върху производителността на захранващата батерия в среда с ниска температура не трябва да се пренебрегва.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 вътрешната промяна на материала 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, промяна на фазата 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 нискотемпературни литиеви батерии трябва да се подобри от следните аспекти: (1) разработването на система от материали за литиеви батерии 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-йонния и анодния и катодния интерфейс 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