Die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Batterien werden erheblich von der Umgebungstemperatur beeinflusst, insbesondere in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen, in denen die verfügbare Energie und Leistung stark abnehmen, und die langfristige Verwendung in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen beschleunigt die Alterung von Lithium-Ionen-Batterien Batterien und verkürzen ihre Lebensdauer.
Mit der schnellen Entwicklung der Industrie für neue Energiefahrzeuge begannen sich einige ihrer potenziellen Probleme abzuzeichnen.
Wenn beispielsweise ein Elektrofahrzeug in einer Umgebung mit niedriger Temperatur fährt, kommt es zu einem Stromausfall seiner Hauptkomponenten wie seiner Lithium-Ionen-Batterie und seines Motors.
Es versteht sich, dass die Reichweite und die Lade- und Entladeleistung von reinen Elektrofahrzeugen wie Tesla-Modellen, Nissan Leaf, Chevrolet Volt und BAIC New Energy EV-Serien durch Umgebungen mit niedrigen Temperaturen stark in Frage gestellt werden.
Bei der Förderung von Elektrofahrzeugen werden Reichweite, Ladezeit und Nutzungssicherheit hauptsächlich durch die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Batterien eingeschränkt.
Die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Batterien werden erheblich von der Umgebungstemperatur beeinflusst, insbesondere in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen, wo die verfügbare Energie und Leistung stark abnehmen und die langfristige Verwendung in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen die Alterung von Lithium beschleunigen wird. Ionen-Power-Akkus und verkürzen ihre Lebensdauer.
Die Kapazität und Arbeitsspannung der üblicherweise verwendeten Lithium-Ionen-Power-Batterie für Elektrofahrzeuge wird bei -10 °C erheblich reduziert, und die Leistung wird bei -20 °C sogar noch schlechter, was zeigt, dass ihre verfügbare Entladekapazität abnimmt stark, und es kann nur 30 % der spezifischen Kapazität bei Raumtemperatur aufrechterhalten. Über.
Es ist auch schwierig, Lithium-Ionen-Batterien in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen zu laden, und metallisches Lithium lagert sich während des Ladevorgangs leicht auf der Oberfläche der negativen Elektrode ab. Das Wachstum von Lithiumdendriten durchdringt den Batterieseparator und verursacht einen internen Kurzschluss in der Batterie, was nicht nur eine dauerhafte Beschädigung der Batterie verursacht, sondern auch ein thermisches Durchgehen der Batterie verursacht, was die Sicherheit ihrer Verwendung stark verringert.
Welche Faktoren schränken also die Tieftemperaturleistung von Lithium-Ionen ein?
Niedertemperatur-Ladeeigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Akkus
Wenn Sie die Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen verstehen möchten, können Sie sie analysieren, indem Sie die Niedertemperatureigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Batterien testen. Um die Niedertemperatureigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Batterien zu testen, können Lithium-Ionen-Power-Batterien mit unterschiedlichen Spezifikationen und Materialien zum Testen verwendet werden, einschließlich Niedertemperaturentladung, Aufladen und AC-Impedanztests.
Wenn der Lithium-Ionen-Akku mit dem Laden beginnt, steigt die Batterieklemmenspannung sofort an, und je niedriger die Temperatur ist, desto höher ist die Startspannung des Ladens des Lithium-Ionen-Akkus. Bei niedriger Temperatur steigt die Klemmenspannung schneller an und erreicht bald die Abschaltspannung und tritt in die Ladephase mit konstanter Spannung ein.
Mit abnehmender Temperatur verkürzt sich die Konstantstrom-Ladezeit des Lithium-Ionen-Power-Akkus, während sich die Ladezeit in der Konstantspannungsphase verlängert und auch die Gesamtladezeit verlängert. Daher wird bei gleicher Ladung die für die Lithium-Ionen-Leistungsbatterie erforderliche Ladezeit stark erhöht.
In unterschiedlichen Temperaturumgebungen werden die Testergebnisse der Ladekapazität von Lithium-Ionen-Power-Batterien in die Ladekapazität der Konstantstromstufe und die Ladekapazität der Konstantspannungsstufe unterteilt. Für die gleiche Batterie mit der gleichen Ladeabschaltbedingung zeigt die Gesamtladung der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie mit sinkender Temperatur einen Abwärtstrend.
Im eingestellten Lademodus erhöht sich mit sinkender Temperatur die in der Konstantspannungsstufe der Lithium-Ionen-Power-Batterie geladene Strommenge. Daher führt die Temperaturabnahme zu einer Verringerung der Konstantstrom-Ladekapazität von Lithium-Ionen-Leistungsbatterien, die zum Laden hauptsächlich auf eine konstante Spannung angewiesen sind. Das Langzeitladen in der Konstantspannungsstufe verlängert die Gesamtladezeit von Lithium-Ionen-Akkus, wodurch die Effizienz der Ladezeit und des Langzeitladens verringert wird. Das Laden bei niedriger Temperatur und konstanter Spannung ist auch einer der Gründe für die Leistungsminderung der Nebenreaktion von Lithium-Ionen-Power-Batterien.
Wenn Lithium-Ionen-Power-Batterien bei niedrigen Temperaturen verwendet werden, werden die Energie- und Leistungseigenschaften ernsthaft gedämpft. Aus einer Makroperspektive zeigt die Tieftemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien, dass mit abnehmender Temperatur die Impedanz von Lithium-Ionen-Batterien zunimmt, die Entladespannungsplattform abnimmt und die Klemmenspannung der Batterie schnell abfällt, was zur Folge hat in einer großen Menge an verfügbarer Kapazität und Leistung. Dämpfung.
Lithium-Ionen-Power-Batterien lassen sich nicht nur bei niedrigen Temperaturen schwer mit hohem Strom entladen, sondern aufgrund der Erhöhung der Batterieimpedanz steigt die Ladespannung schnell an, wodurch die Zeit verkürzt wird, in der die Batterie die Ladeschutz-Beendigungsspannung erreicht. daher gibt es Nachteile eines schwierigen Ladens und einer geringen Ladeeffizienz.
Mikroskopisch werden die Niedertemperatureigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Batterien hauptsächlich durch die niedrige Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten im Inneren der Batterie bei niedriger Temperatur, die Verringerung der elektrochemischen Reaktionsrate der Batterieelektrode bei niedriger Temperatur, die Verringerung von die Leitfähigkeit des SEI-Films auf der Oberfläche der Graphitpartikel der negativen Elektrode der Batterie bei niedriger Temperatur und die niedrige Temperatur. Unter den Einschränkungen von Faktoren wie dem niedrigen Festphasendiffusionskoeffizienten von Lithiumionen in den Graphitmaterialpartikeln der negativen Elektrode der Batterie.
Daher hängt die Leistung von Lithium-Ionen-Power-Batterien bei niedriger Temperatur zunächst mit dem Batterieelektrolyten zusammen. Das Elektrolytlösungsmittel der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie beeinflusst nicht nur direkt den Liquidus-Temperaturbereich des Elektrolyten, sondern nimmt auch direkt an der Reaktion zur Bildung des SEI-Films teil.
Die Leitfähigkeit des Elektrolyten nimmt bei niedriger Temperatur ab, und das ausgeschiedene Lithiummetall reagiert aufgrund des Niedertemperaturladens leicht mit dem Elektrolyten, was zu einer weiteren Verschlechterung der Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Power-Batterien führt.
Der Anstieg des Widerstands des SEI-Films der Innenelektrode der Batterie bei niedriger Temperatur ist ein weiterer Faktor, der die Leistung der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie bei niedriger Temperatur verschlechtert. Bei niedriger Temperatur steigt der Widerstand des SEI-Films der Innenelektrode der Batterie und die verfügbare Leistung der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie nimmt ab.
Während des Ladens bei niedriger Temperatur wird metallisches Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrodenpartikel ausgefällt, und die Reaktion zwischen dem Lithiummetall und dem Elektrolyten führt zu einer Verdickung des SEI-Films. Einerseits wird die SEI-Schichtimpedanz der Batterie erhöht, andererseits kann die Reduzierung verfügbarer aktiver Lithium-Ionen in der negativen Elektrode zu einer irreversiblen Kapazitätsdegradation der Lithium-Ionen-Power-Batterie führen.
Bei niedriger Temperatur nimmt die elektrochemische Reaktionsrate der Lithium-Ionen-Power-Batterie ab und der Innenwiderstand der Ladungsübertragung steigt deutlich an. Verglichen mit dem elektrochemischen ohmschen Innenwiderstand und der SEI-Filmimpedanz ist die Wirkung der Temperatursteuerung auf den elektrochemischen Reaktionsprozess der Batterie offensichtlicher, und der Ladungstransfer-Innenwiderstand steigt exponentiell mit der Abnahme der Temperatur. Der Hauptgrund für die Verschlechterung der Energieleistung der Ionenenergiebatterie.
Die Verringerung des Festphasendiffusionskoeffizienten von Lithiumionen im Anodengraphit ist auch einer der Hauptfaktoren, die zur Verschlechterung der Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Power-Batterien führen. Die Verringerung des Festphasendiffusionskoeffizienten von Lithiumionen im Anodengraphit bei niedrigen Temperaturen ist der wichtigste geschwindigkeitsbestimmende Schritt, der zur Verschlechterung der Kapazitätseigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Batterien führt.
Wenn die Batterie bei niedriger Temperatur geladen wird, behindert der kleine Diffusionskoeffizient den Diffusionsprozess von Lithiumionen im Graphit der negativen Elektrode, was leicht zu einer „Lithiumabscheidung“ auf der Oberfläche der Partikel der negativen Elektrode führt und dauerhafte Schäden verursacht die Batterie.
Niedertemperatur-Entladeeigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Batterien
Nehmen Sie als Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie des Nickel-Kobalt-Mangan-Systems vom Typ 18650, eine Lithium-Ionen-Batterie des Lithium-Eisenphosphat-Systems, eine Lithium-Ionen-Batterie des Nickel-Kobalt-Mangan-Systems, zuerst einen Entladungstest. In einer Umgebung von 25 ° C werden die drei Lithium-Ionen-Power-Batterien mit konstantem Strom und konstanter Spannung aufgeladen, damit der SOC (Restleistung) 100 % erreicht, und dann 4 Stunden lang bei unterschiedlichen Temperaturen stehen und auf die Batterietemperatur warten um die eingestellte Temperatur zu erreichen. Führen Sie dann den entsprechenden Test durch.
Um die Entladeeigenschaften der Batterie bei niedriger Temperatur zu untersuchen, ist es möglich, Lithium-Ionen-Power-Batterien mit unterschiedlichen Spezifikationen unter zwei verschiedenen Materialsystemen zu verwenden, um Spannungen bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Raten (1C, 2C) zu entladen, und drei zu verwenden Lithium-Ionen-Power-Akkus mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die Nennkapazität und der Strom werden verwendet, um die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Batterien einheitlich zu analysieren, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Mit der Abnahme der Umgebungstemperatur zeigt die Entladespannung der Batterie einen schnellen Abwärtstrend und die Leistungseigenschaften der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie verschlechtern sich. Mit dem Absinken der Temperatur verkürzt sich die Zeit, die die Lithium-Ionen-Leistungsbatterie benötigt, um die Abschaltspannung zu erreichen, was anzeigt, dass ihre verfügbare Kapazität ernsthaft abgeschwächt ist. .
Im Vergleich dazu kann festgestellt werden, dass bei der gleichen Temperatur die Zerfallsrate der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie des Lithium-Eisen-Phosphat-Systems höher ist als die der 18650-Nickel-Kobalt-Mangan-System-Lithium-Ionen-Leistungsbatterie, die durch bestimmt wird die Materialeigenschaften. Die inhärente Niedertemperaturleitfähigkeit von Lithium-Eisenphosphat-Materialien ist schlecht, was zu einer ernsthaften Abschwächung der Niedertemperatureigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien führt.
Je niedriger die Temperatur ist, desto größer ist daher der Abfall der anfänglichen Klemmenspannung der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie. Wenn die Temperatur abnimmt, nimmt die Impedanz der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie zu, was zu einer Erhöhung des Partialdrucks des Innenwiderstands der Batterie führt, sodass die Klemmenspannung der Batterie abnimmt.
In der frühen Phase der Niedertemperaturentladung der Lithium-Ionen-Power-Batterie ist die Klemmenspannung zurückgeprallt, was hauptsächlich durch die Wärmeentwicklung der Lithium-Ionen-Power-Batterie während des Entladevorgangs verursacht wird.
Um den Einfluss von Temperatur und Entladerate auf die Leistungs- und Kapazitätseigenschaften von Lithium-Ionen-Power-Batterien vollständig zu verstehen, kann das verfügbare Kapazitätsverhältnis von zwei Lithium-Ionen-Power-Batterien bei unterschiedlichen Entladeraten und Temperaturen analysiert werden, wie in Abbildung gezeigt 6.
Wenn die Temperatur sinkt, nimmt die verfügbare Kapazität des Lithium-Ionen-Power-Akkus ab. Die Kapazität des Lithium-Ionen-Akkus sinkt erheblich, wenn die Umgebungstemperatur sinkt. Wenn die Lithium-Ionen-Power-Batterie des Typs 18650 aus Nickel-Kobalt-Mangan-System auf etwa 50 % der Entladekapazität bei 25 ℃ bei einer Entladerate von 0.5 C und einer Entladerate von 1 C bei -30 ℃ abgeklungen ist, beträgt die Entladekapazität bei 2 C Konstantstrom 0.
Gemäß dem Datenvergleich ist bei gleicher Temperatur die Zerfallsrate der Lithium-Ionen-Power-Batterie des Lithium-Eisen-Phosphat-Systems höher als die der 18650-Nickel-Kobalt-Mangan-Lithium-Ionen-Power-Batterie des Systems, was auf die schlechte Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen zurückzuführen ist das Lithium-Eisen-Phosphat-Material.
Die anfängliche Entladeschlussspannung von Lithium-Ionen-Power-Batterien wird nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der Entladerate beeinflusst. Wenn die Temperatur fällt, nimmt die Anfangsentladungsanschlussspannung der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie weiter ab, hauptsächlich weil die Temperatur abnimmt, der Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie zunimmt und die Innenspannung der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie zunimmt erhöht sich.
Darüber hinaus wird mit abnehmender Temperatur auch der Unterschied in der anfänglichen Klemmenspannung der Lithium-Ionen-Leistungsbatterie bei unterschiedlichen Raten deutlicher. Temperatur -30 ℃, die Anfangsspannung einer Entladungsrate von 0.5 C ist nur 6.8 % niedriger als die Anfangsspannung bei 25 ℃, die Anfangsspannung einer Entladungsrate von 1 C ist fast 12.7 % niedriger als die Anfangsspannung von 25 ℃, 2 C Rate Die Initiale Die Entladespannung fiel um fast 22.8 % im Vergleich zur anfänglichen Entladespannung bei 25 ℃.
Bei niedriger Temperatur und hoher Entladungsrate wird die Ausgangsspannung der Lithium-Ionen-Power-Batterie ebenfalls stark gedämpft, was die Leistungsabgabe der Lithium-Ionen-Power-Batterie beeinflusst. Unter Fahrzeugbetriebsbedingungen beeinflusst es hauptsächlich das Beschleunigungs- und Steigverhalten des Fahrzeugs.
Elektrochemische Impedanzeigenschaften bei niedrigen Temperaturen von Lithium-Ionen-Batterien
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), auch bekannt als AC-Impedanzspektroskopie, misst die Änderung mit der Frequenz, indem ein sinusförmiges AC-Signal (Spannung oder Strom) mit kleiner Amplitude in einem bestimmten Frequenzbereich an das elektrochemische System angelegt wird. Ein Verfahren für das Verhältnis von Wechselspannungs- zu Stromsignalen.
Mit dieser Methode können mehr Informationen über die Struktur und Kinetik der Elektrodenschnittstelle gewonnen werden als mit anderen herkömmlichen elektrochemischen Methoden, sodass sie häufig zur Untersuchung des internen Mechanismus von Li-Ionen-Batterien verwendet wird.
Die hochfrequente ohmsche Impedanz steigt mit abnehmender Temperatur; Hochfrequenz- und Mittelfrequenzimpedanz dehnt sich allmählich mit abnehmender Temperatur aus. Daher nehmen der Filmwiderstand der Fest-Flüssig-Grenzfläche und der Innenwiderstand der Ladungsübertragung zu.
Bei niedriger Temperatur verschwindet die Diffusion bei der Lithium-Ionen-Batterie des Typs 18650 des Nickel-Kobalt-Mangan-Systems, und bei -20 ° C steigt die Impedanz auf ein Vielfaches der bei Raumtemperatur an.
Daher repräsentiert der Ultrahochfrequenzbereich (über 10 kHz) den Transport von Elektronen durch die Partikel des Aktivmaterials und den Transport von Lithiumionen im Elektrolyten zwischen den Partikeln des Aktivmaterials, was als Schnittpunkt der dargestellt ist Spektrum und der reellen Achse auf dem EIS-Spektrum, definiert als elektrochemischer ohmscher Innenwiderstand R0.
Die Diffusion und Migration von Lithium-Ionen durch den SEI-Film auf der Oberfläche der Aktivmaterialpartikel im Hochfrequenzbereich erscheint als halbkreisförmiger Bogen auf der Impedanzkarte. Dieser Prozess wird im Impedanzmodell äquivalent durch die RSEI/CSEI-Parallelstruktur ersetzt.
Der mit der elektrochemischen Reaktion im Zwischenfrequenzbereich verbundene Impedanzbogen umfasst zwei Prozesse der Ladungsmigration und der elektrischen Doppelschichtladung und -entladung. Der Ladungstransferprozess findet an der gegenseitigen Grenzfläche der Festphasenelektrode und des Elektrolyten statt. Dieser Prozess folgt dem Gesetz von Faraday, daher wird er auch als Faraday-Prozess bezeichnet.
Bei der Ladungsmigration spiegelt sich die Übertragungsgeschwindigkeit der Ladung im Faraday-Strom wider. Im Allgemeinen kann der Ladungsmigrationsprozess einem reinen Widerstand entsprechen, der als interner Ladungsmigrationswiderstand oder Faraday-Widerstand bezeichnet wird und durch R ct dargestellt wird.
Der Lade-Entlade-Vorgang der elektrischen Doppelschicht wird auch als Faraday-Prozess bezeichnet. Dieser Prozess tritt auch an der Verbindungsstelle der Festphasenelektrode und der Flüssigphasenelektrolytgrenzfläche auf, wodurch eine physikalische Struktur ähnlich der Kapazität gebildet wird, wodurch die elektrische Doppelschicht der Grenzfläche der Elektrode gebildet wird. Kapazität Cdl darstellt.
Der Niederfrequenzbereich ist hauptsächlich auf den Diffusionsprozess von Lithiumionen in den Aktivmaterialpartikeln zurückzuführen. Wenn die elektrochemische Reaktion stattfindet, fließt der faradaysche Strom durch die Grenzfläche zwischen der Festphasenelektrode und dem Elektrolyten, was zum Verbrauch von Reaktanten und zur Ansammlung von Produkten an der Grenzfläche führt, was zu einem Konzentrationsunterschied zwischen der festen und der flüssigen Phase führt.
Gemäß der Theorie der porösen Elektrode wird angenommen, dass die Festphasenelektrode aus kugelförmigen Partikeln mit einer bestimmten Porosität besteht. Mit fortschreitender Reaktion nimmt die Akkumulation von Substanzen innerhalb der Partikel zu, der Konzentrationsgradient von Substanzen innerhalb und außerhalb der Grenzfläche nimmt ab und die Diffusionsgeschwindigkeit von Substanzen nimmt ab. langsam.
Wenn die Substanz auf der Elektrode langsam in einen stationären Zustand diffundiert, tritt eine stabile Konzentrationspolarisation auf, d. h. das Polarisationsphänomen, das durch den Unterschied in der Lithiumionenkonzentrationsverteilung innerhalb der Batterie verursacht wird.
Allgemein kann zur Darstellung des Diffusionsprozesses die halbunendliche Diffusionsimpedanz Weber-Impedanz ZW verwendet werden. In Anbetracht der geometrischen Faktoren der Elektrodenoberfläche und des Vorhandenseins von Adsorption wird es auch durch ein konstantes Phasenelement repräsentiert, das durch das Symbol ZD repräsentiert wird.
Da der Prüfbereich von EIS 100 kHz – 0.01 Hz beträgt, sind im EIS-Spektrum keine Veränderungen in der Kristallstruktur von Aktivmaterialpartikeln im sehr niederfrequenten Bereich oder dem mit der Bildung neuer Phasen verbundenen Halbkreis zu beobachten. Wie in Abbildung 9 dargestellt, werden mit Hilfe der AC-Impedanzspektrum-Analysesoftware ZView die Batterieimpedanzparameter R0, RSEI und Rct angepasst und identifiziert, und die drei Impedanzwerte können gemäß der Horizontalen berechnet und erhalten werden Achse des Impedanzspektrums.
Die Impedanz steigt mit abnehmender Temperatur, wobei sich R0 und RSEI relativ gleichmäßig mit der Temperatur ändern, und der Impedanzwert mit abnehmender Temperatur weniger ansteigt. Aber Rct wird mit abnehmender Temperatur wesentlich zunehmen. Da R0 und RSEI hauptsächlich von der Ionenleitfähigkeit im Elektrolyten beeinflusst werden, ist das Gesetz der Temperaturänderung ähnlich dem der Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten mit der Temperatur.
Um die Probleme von Fahrzeugen mit neuer Energie zu lösen, die in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen betrieben werden, müssen wir im Allgemeinen mit der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien beginnen.
Mit Blick auf die ungünstigen Faktoren der niedrigen Temperatur von Lithiumbatterien hat das Keheng-Lithiumbatterie-Ingenieurteam die Batterie-Selbsterwärmungsfunktion bei niedrigen Temperaturen und extrem kalter Umgebung entwickelt, die diesen Defekt der Lithiumbatterie effektiv beheben kann. Die Selbsterhitzung ist eine optionale Funktion der Lithium-Eisenphosphat-Tiefzyklusbatterie. Alle Lithium-Eisenphosphat-Batterien von Keheng können mit einer Selbsterhitzungsfunktion sowie einer Bluetooth-Funktion und einer BMS-System-App-Überwachungsfunktion für Mobiltelefone ausgestattet werden.
Keheng selbstheizende Batterie
100AH 12V Niedertemperaturheizung aktiviert
