Благодаря быстрому развитию электромобилей во всем мире объем рынка электромобилей достиг 1 триллиона долларов в 2020 году и в будущем будет продолжать расти со скоростью более 20% в год. Таким образом, электромобили как основной вид транспорта, требования к производительности силовых батарей будут все более высокими, и не следует игнорировать влияние распада батареи на производительность силовых батарей в условиях низких температур. Основными причинами разрушения аккумулятора в условиях низких температур являются: во-первых, низкая температура влияет на небольшое внутреннее сопротивление аккумулятора, площадь термодиффузии велика, а внутреннее сопротивление аккумулятора увеличивается. Во-вторых, емкость аккумулятора внутри и снаружи плохая, деформация аккумулятора произойдет при локальной необратимой поляризации. В-третьих, низкая температура молекулярного движения электролита происходит медленно и с трудом распространяется во времени при повышении температуры. Таким образом, разрушение батареи при низкой температуре является серьезным, что приводит к серьезному ухудшению производительности батареи.
1. Статус технологии низкотемпературных аккумуляторов.
Требования к техническим характеристикам и материалам литий-ионных аккумуляторов, изготовленных при низких температурах, высоки. Серьезное ухудшение характеристик литий-ионной аккумуляторной батареи в условиях низких температур происходит из-за увеличения внутреннего сопротивления, что приводит к затруднению диффузии электролита и сокращению срока службы элемента. Таким образом, исследования в области технологии низкотемпературных аккумуляторов добились определенного прогресса в последние годы. Традиционные высокотемпературные литий-ионные батареи имеют плохие характеристики при высоких температурах, и их производительность по-прежнему нестабильна в условиях низких температур; большой объем низкотемпературных ячеек, низкая емкость и плохая производительность низкотемпературного цикла; поляризация при низкой температуре значительно сильнее, чем при высокой; повышенная вязкость электролита при низкой температуре приводит к уменьшению количества циклов заряда/разряда; снижение сохранности элементов и сокращение срока службы аккумуляторов при низкой температуре; и снижение производительности при использовании при низкой температуре. Кроме того, короткий срок службы батареи при низкой температуре и риски безопасности, связанные с низкотемпературными элементами, выдвинули новые требования к безопасности силовых батарей. Поэтому разработка стабильных, безопасных, надежных и долговечных материалов для силовых аккумуляторов для низкотемпературных сред находится в центре внимания исследований низкотемпературных литий-ионных батарей. В настоящее время существует несколько материалов для низкотемпературных литий-ионных аккумуляторов: (1) литий-металлические анодные материалы: металлический литий широко используется в электромобилях из-за его высокой химической стабильности, высокой электропроводности и характеристик зарядки и разрядки при низких температурах; (2) углеродные анодные материалы широко используются в электромобилях из-за их хорошей термостойкости, работоспособности в низкотемпературном цикле, низкой электропроводности и долговечности в низкотемпературном цикле при низких температурах; (3) углеродные анодные материалы широко используются в электромобилях из-за их хорошей термостойкости, работоспособности при низких температурах, низкой электропроводности и срока службы при низких температурах. в; (3) органические электролиты имеют хорошие характеристики при низкой температуре; (4) полимерные электролиты: молекулярные цепи полимеров относительно короткие и обладают высоким сродством; (5) неорганические материалы: неорганические полимеры имеют хорошие эксплуатационные параметры (проводимость) и хорошую совместимость электролитной активности; (6) оксидов металлов меньше; (7) неорганические материалы: неорганические полимеры и т. д.
2. Влияние низкой температуры на литиевую батарею.
Срок службы литиевых батарей зависит главным образом от процесса разрядки, при этом низкая температура является фактором, оказывающим большее влияние на срок службы литиевых изделий. Обычно в условиях низкой температуры на поверхности батареи происходит фазовый переход, вызывающий повреждение структуры поверхности, сопровождающийся снижением емкости и емкости элемента. В условиях высокой температуры в ячейке образуется газ, который ускоряет термодиффузию; при низкой температуре газ не может быть разряжен вовремя, что ускоряет фазовый переход жидкости в аккумуляторе; чем ниже температура, тем больше выделяется газа и тем медленнее происходит фазовый переход жидкости в аккумуляторе. Следовательно, изменение внутреннего материала батареи происходит более радикально и сложно при низкой температуре, и внутри материала батареи легче образовывать газы и твердые вещества; в то же время низкая температура приведет к ряду разрушительных реакций, таких как необратимый разрыв химических связей на границе раздела материала катода и электролита; это также приведет к уменьшению самосборки электролита и срока службы; способность литий-ионного переноса заряда к электролиту будет снижена; Процесс зарядки и разрядки вызовет серию цепных реакций, таких как явление поляризации во время литий-ионной передачи заряда, снижение емкости аккумулятора и снятие внутреннего напряжения, что влияет на срок службы и плотность энергии литий-ионных аккумуляторов и другие функции. Чем ниже температура при низкой температуре, тем интенсивнее и сложнее различные разрушительные реакции, такие как окислительно-восстановительная реакция на поверхности батареи, термодиффузия, фазовый переход внутри элемента и даже полное разрушение, в свою очередь, вызовут серию цепных реакций, таких как электролитная. Самосборка, чем медленнее скорость реакции, тем серьезнее снижение емкости аккумулятора и тем хуже способность литий-ионного заряда мигрировать при высокой температуре.
3. Низкая температура влияет на перспективы исследований в области технологий литиевых батарей.
В условиях низкой температуры это повлияет на безопасность, срок службы и температурную стабильность элементов батареи, а влияние низкой температуры на срок службы литиевых батарей нельзя игнорировать. В настоящее время исследования и разработки технологии низкотемпературных аккумуляторов с использованием диафрагмы, электролита, материалов положительных и отрицательных электродов и других методов достигли определенного прогресса. В будущем развитие технологии низкотемпературных литиевых батарей должно быть улучшено с учетом следующих аспектов: (1) разработка системы материалов литиевых батарей с высокой плотностью энергии, длительным сроком службы, низким затуханием, небольшими размерами и низкой стоимостью при низкой температуре. ; (2) постоянное совершенствование контроля внутреннего сопротивления батареи посредством проектирования конструкции и технологии подготовки материалов; (3) при разработке высокоемкой и недорогой литиевой аккумуляторной системы следует уделять внимание добавкам электролита, литий-ионному интерфейсу, аноду и катоду, а также внутреннему активному материалу и другим ключевым факторам; (4) улучшить характеристики цикла батареи (удельную энергию заряда и разряда), термическую стабильность батареи в низкотемпературной среде, безопасность литиевых батарей в низкотемпературной среде и другие направления развития аккумуляторных технологий; (5) разработать высокобезопасные, дорогостоящие и недорогие решения для систем аккумуляторных батарей в условиях низких температур; (6) разрабатывать продукты, связанные с низкотемпературными батареями, и продвигать их применение; (7) разработать высокопроизводительные, устойчивые к низким температурам аккумуляторные материалы и технологии устройств.
Конечно, помимо вышеперечисленных направлений исследований, существует также множество направлений исследований по дальнейшему улучшению характеристик аккумуляторов в условиях низких температур, улучшению плотности энергии низкотемпературных аккумуляторов, уменьшению деградации аккумуляторов в условиях низких температур, продлению срока службы аккумуляторов и другим исследованиям. прогресс; но более важным вопросом является то, как достичь высокой производительности, высокой безопасности, низкой стоимости, большого радиуса действия, длительного срока службы и низкой стоимости. В настоящее время в настоящее время ведется коммерциализация батарей в условиях низких температур. Исследования должны быть сосредоточены на прорыве и решении этой проблемы.
Время публикации: 22 ноября 2022 г.