Bahan katoda adalah bagian penting dari baterai lithium-ion dan harus memenuhi persyaratan kapasitas tinggi, stabilitas kuat, dan toksisitas rendah.
Dibandingkan dengan bahan katoda lainnya, bahan elektroda LiFePO4 memiliki banyak keunggulan, seperti kapasitas spesifik teoritis yang lebih tinggi, tegangan kerja yang stabil, struktur yang stabil, cyclability yang baik, biaya bahan baku yang rendah dan ramah lingkungan.
Oleh karena itu, LiFePO4 merupakan bahan katoda yang ideal dan dipilih sebagai salah satu bahan katoda utama untuk baterai listrik.
Banyak peneliti telah mempelajari mekanisme degradasi kinerja yang dipercepat dari LIB pada suhu rendah, dan diyakini bahwa deposisi lithium aktif dan antarmuka elektrolit solid-state (SEI) yang ditumbuhkan secara katalitik menyebabkan penurunan konduktivitas ionik dan penurunan mobilitas elektron dalam elektrolit. drop, yang menyebabkan pengurangan kapasitas dan daya LIB dan terkadang bahkan kegagalan kinerja baterai.
Lingkungan kerja suhu rendah LIB terutama terjadi di musim dingin dan daerah lintang tinggi dan dataran tinggi, di mana lingkungan suhu rendah akan mempengaruhi kinerja dan kehidupan LIB, dan bahkan menyebabkan masalah keselamatan yang sangat serius. Dipengaruhi oleh suhu rendah, laju interkalasi lithium dalam grafit berkurang, dan lithium logam mudah diendapkan pada permukaan elektroda negatif untuk membentuk dendrit lithium, yang menembus diafragma dan menyebabkan korsleting internal pada baterai.
Oleh karena itu, metode untuk meningkatkan kinerja suhu rendah LIB sangat penting untuk mempromosikan penggunaan kendaraan listrik di daerah pegunungan.
Makalah ini merangkum metode untuk meningkatkan kinerja suhu rendah baterai LiFePO4 dari empat aspek berikut:
1) Arus pulsa menghasilkan panas;
2) Gunakan aditif elektrolit untuk menyiapkan film SEI berkualitas tinggi;
3) Konduktivitas antarmuka lapisan permukaan bahan LiFePO4 yang dimodifikasi;
4) Konduktivitas massal bahan LiFePO4 termodifikasi yang didoping ion.
Pembangkit panas arus pulsa
Selama proses pengisian LIB yang dipanaskan dengan cepat oleh arus pulsa, pergerakan dan polarisasi ion dalam elektrolit akan mendorong pembentukan panas internal LIB. Mekanisme pembangkit panas ini dapat digunakan secara efektif untuk meningkatkan kinerja LIB pada suhu rendah. Arus pulsa mengacu pada arus yang arahnya tidak berubah dan intensitas atau tegangan arusnya berubah secara berkala terhadap waktu. Untuk meningkatkan suhu baterai dengan cepat dan aman pada suhu rendah, bagaimana arus berdenyut memanaskan LIB secara teoritis disimulasikan, dan hasil simulasi diverifikasi oleh uji eksperimental pada LIB komersial. Perbedaan pembangkitan panas antara pengisian terus menerus dan pengisian pulsa ditunjukkan pada Gambar 1. Seperti dapat dilihat dari Gambar 1, waktu pulsa mikrodetik dapat meningkatkan lebih banyak panas yang dihasilkan dalam baterai lithium.
Bahan katoda adalah bagian penting dari baterai lithium-ion dan harus memenuhi persyaratan kapasitas tinggi, stabilitas kuat, dan toksisitas rendah.
Dibandingkan dengan bahan katoda lainnya, bahan elektroda LiFePO4 memiliki banyak keunggulan, seperti kapasitas spesifik teoritis yang lebih tinggi, tegangan kerja yang stabil, struktur yang stabil, cyclability yang baik, biaya bahan baku yang rendah dan ramah lingkungan.
Oleh karena itu, LiFePO4 merupakan bahan katoda yang ideal dan dipilih sebagai salah satu bahan katoda utama untuk baterai listrik.
Banyak peneliti telah mempelajari mekanisme degradasi kinerja yang dipercepat dari LIB pada suhu rendah, dan diyakini bahwa deposisi lithium aktif dan antarmuka elektrolit solid-state (SEI) yang ditumbuhkan secara katalitik menyebabkan penurunan konduktivitas ionik dan penurunan mobilitas elektron dalam elektrolit. drop, yang menyebabkan pengurangan kapasitas dan daya LIB dan terkadang bahkan kegagalan kinerja baterai.
Lingkungan kerja suhu rendah LIB terutama terjadi di musim dingin dan daerah lintang tinggi dan dataran tinggi, di mana lingkungan suhu rendah akan mempengaruhi kinerja dan kehidupan LIB, dan bahkan menyebabkan masalah keselamatan yang sangat serius. Dipengaruhi oleh suhu rendah, laju interkalasi lithium dalam grafit berkurang, dan lithium logam mudah diendapkan pada permukaan elektroda negatif untuk membentuk dendrit lithium, yang menembus diafragma dan menyebabkan korsleting internal pada baterai.
Oleh karena itu, metode untuk meningkatkan kinerja suhu rendah LIB sangat penting untuk mempromosikan penggunaan kendaraan listrik di daerah pegunungan.
Makalah ini merangkum metode untuk meningkatkan kinerja suhu rendah baterai LiFePO4 dari empat aspek berikut:
1) Arus pulsa menghasilkan panas;
2) Gunakan aditif elektrolit untuk menyiapkan film SEI berkualitas tinggi;
3) Konduktivitas antarmuka lapisan permukaan bahan LiFePO4 yang dimodifikasi;
4) Konduktivitas massal bahan LiFePO4 termodifikasi yang didoping ion.
Pembangkit panas arus pulsa
Selama proses pengisian LIB yang dipanaskan dengan cepat oleh arus pulsa, pergerakan dan polarisasi ion dalam elektrolit akan mendorong pembentukan panas internal LIB. Mekanisme pembangkit panas ini dapat digunakan secara efektif untuk meningkatkan kinerja LIB pada suhu rendah. Arus pulsa mengacu pada arus yang arahnya tidak berubah dan intensitas atau tegangan arusnya berubah secara berkala terhadap waktu. Untuk meningkatkan suhu baterai dengan cepat dan aman pada suhu rendah, bagaimana arus berdenyut memanaskan LIB secara teoritis disimulasikan, dan hasil simulasi diverifikasi oleh uji eksperimental pada LIB komersial. Perbedaan pembangkitan panas antara pengisian terus menerus dan pengisian pulsa ditunjukkan pada Gambar 1. Seperti dapat dilihat dari Gambar 1, waktu pulsa mikrodetik dapat meningkatkan lebih banyak panas yang dihasilkan dalam baterai lithium.
Pada gambar di atas, Zhao et al. mempelajari efek eksitasi arus pulsa pada baterai LiFePO4/MCNB melalui panas yang dihasilkan dalam mode pengisian pulsa dan kontinu. Dibandingkan dengan mode, seluruh waktu pengisian berkurang 36 menit (23.4%), dan kapasitas meningkat 7.1% pada tingkat debit yang sama. Oleh karena itu, mode pengisian ini bermanfaat untuk pengisian cepat baterai LiFePO4 suhu rendah.
Pengaruh metode pemanasan arus pulsa pada masa pakai baterai suhu rendah (keadaan kesehatan) baterai lithium-ion daya LiFePO4 dipelajari. Mereka masing-masing mempelajari pengaruh frekuensi arus pulsa, intensitas arus dan rentang tegangan pada suhu baterai, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Intensitas arus yang tinggi, frekuensi yang lebih rendah dan rentang tegangan yang lebih lebar meningkatkan akumulasi panas dan kenaikan suhu LIB. Selain itu, setelah 240 siklus pemanasan (setiap siklus sama dengan 1800 detik pemanasan berdenyut pada -20°C), mereka mengevaluasi kesehatan LIB setelah pemanasan arus berdenyut dengan mempelajari retensi kapasitas sel dan impedansi elektrokimia, dan dianalisis dengan SEM dan EDS Perubahan morfologi permukaan elektroda negatif baterai dipelajari, dan hasilnya menunjukkan bahwa pemanasan arus pulsa tidak meningkatkan pengendapan ion lithium pada permukaan elektroda negatif, sehingga pemanasan pulsa tidak akan memperburuk risiko. peluruhan kapasitas dan pertumbuhan dendrit lithium yang disebabkan oleh deposisi lithium.
Modifikasi elektrolit membran SEI untuk mengurangi resistensi transfer muatan pada antarmuka elektrolit-elektroda
Performa baterai lithium-ion pada suhu rendah berkaitan erat dengan mobilitas ion dalam baterai. Pengaruh elektrolit berbasis karbonat (1 mol/L LiPF6/EC+DMC+DEC+EMC, dengan rasio volume 11:3) pada kinerja suhu rendah baterai lithium komersial LiFePO4 dipelajari. Ketika suhu operasi lebih rendah dari -20 °C, kinerja elektrokimia baterai menurun secara signifikan, dan tes spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) menunjukkan bahwa peningkatan resistensi transfer muatan dan penurunan kapasitas difusi ion lithium adalah faktor utama untuk penurunan kinerja baterai. Oleh karena itu, diharapkan dapat meningkatkan kinerja suhu rendah baterai LiFePO4 dengan mengubah elektrolit untuk meningkatkan reaktivitas antarmuka elektrolit-elektroda.
Di atas (a) EIS elektroda LiFePO4 pada suhu yang berbeda; (b) Model rangkaian ekuivalen yang dipasang oleh LiFePO4 EIS
Untuk menemukan sistem elektrolit yang dapat secara efektif meningkatkan kinerja elektrokimia baterai LiFePO4 suhu rendah, Zhang et al. mencoba menambahkan garam campuran LiBF4-LiBOB ke elektrolit untuk meningkatkan kinerja siklus suhu rendah baterai LiFePO4. Khususnya, kinerja yang dioptimalkan dicapai hanya ketika fraksi molar LiBOB dalam garam campuran kurang dari 10%. Zhou dkk. melarutkan LiPF4(C2O4)(LiFOP) ke dalam propilen karbonat (PC) sebagai elektrolit untuk baterai LiFePO4/C dan membandingkannya dengan sistem elektrolit LiPF6-EC yang umum digunakan. Ditemukan bahwa kapasitas pengosongan siklus pertama LIB menurun secara signifikan ketika baterai didaur ulang pada suhu rendah; sementara itu, data EIS menunjukkan bahwa elektrolit LiFOP/PC meningkatkan kinerja siklus suhu rendah LIB dengan mengurangi impedansi internal LIB.
Li dkk. mempelajari kinerja elektrokimia dari dua sistem elektrolit lithium difluoro(oxalate)borate (LiODFB): LiODFB-DMS dan LiODFB-SL/DMS, dan membandingkan kinerja elektrokimia dengan elektrolit LiPF6-EC/DMC yang umum digunakan, dan menemukan bahwa LiODFB-SL Elektrolit /DMS dan LiODFB-SL/DES dapat meningkatkan stabilitas siklus dan kemampuan kecepatan baterai LiFePO4 pada suhu rendah. Studi EIS menemukan bahwa elektrolit LiODFB kondusif untuk pembentukan film SEI dengan impedansi antarmuka yang lebih rendah, yang mendorong difusi ion dan pergerakan muatan, sehingga meningkatkan kinerja siklus suhu rendah baterai LiFePO4. Oleh karena itu, komposisi elektrolit yang sesuai bermanfaat untuk mengurangi resistensi transfer muatan dan meningkatkan laju difusi ion litium pada antarmuka bahan elektroda, sehingga secara efektif meningkatkan kinerja suhu rendah LIB.
Aditif elektrolit juga merupakan salah satu cara efektif untuk mengontrol komposisi dan struktur film SEI, sehingga meningkatkan kinerja LIB. Liao dkk. mempelajari pengaruh FEC pada kapasitas debit dan kinerja tingkat baterai LiFePO4 pada suhu rendah. Studi ini menemukan bahwa setelah menambahkan 2% FEC ke elektrolit, baterai LiFePO4 menunjukkan kapasitas pengosongan yang lebih tinggi dan kinerja laju pada suhu rendah. SEM dan XPS menunjukkan pembentukan SEI, dan hasil EIS menunjukkan bahwa penambahan FEC ke elektrolit dapat secara efektif mengurangi impedansi baterai LiFePO4 pada suhu rendah, sehingga peningkatan kinerja baterai dikaitkan dengan peningkatan konduktivitas ionik film SEI. dan polarisasi elektroda LiFePO4. mengurangi. Wu dkk. menggunakan XPS untuk menganalisis film SEI dan mempelajari lebih lanjut mekanisme terkait. Mereka menemukan bahwa ketika FEC berpartisipasi dalam pembentukan film antarmuka, dekomposisi LiPF6 dan pelarut karbonat melemah, dan kandungan LixPOyFz dan zat karbonat yang dihasilkan oleh dekomposisi pelarut menurun. Dengan demikian, film SEI dengan resistansi rendah dan struktur padat terbentuk pada permukaan LiFePO4. Seperti terlihat pada Gambar 4, setelah penambahan FEC, kurva CV LiFePO4 menunjukkan bahwa puncak oksidasi/reduksi berdekatan, menunjukkan bahwa penambahan FEC dapat mengurangi polarisasi elektroda LiFePO4. Oleh karena itu, SEI yang dimodifikasi mendorong migrasi ion litium pada antarmuka elektroda/elektrolit, sehingga meningkatkan kinerja elektrokimia elektroda LiFePO4.
Gambar di atas menunjukkan voltamogram siklik sel LiFePO4 dalam elektrolit dengan fraksi volume 0% dan 10% FEC pada -20 °C
Selain itu, penelitian ini juga menemukan bahwa penambahan butil sulton (BS) pada elektrolit memiliki efek yang serupa, yaitu membentuk film SEI dengan struktur yang lebih tipis dan impedansi yang lebih rendah, serta meningkatkan laju migrasi ion litium saat melewati melalui film SEI. Oleh karena itu, BS Penambahan LiFePO4 secara signifikan meningkatkan kapasitas dan kinerja laju baterai LiFePO4 pada suhu rendah.
Pelapisan permukaan dengan lapisan konduktif untuk mengurangi ketahanan permukaan bahan LiFePO4
Salah satu alasan penting untuk penurunan kinerja baterai lithium di lingkungan suhu rendah adalah peningkatan impedansi pada antarmuka elektroda dan penurunan laju difusi ion. Lapisan konduktif pelapis permukaan LiFePO4 secara efektif dapat mengurangi resistansi kontak antara bahan elektroda, sehingga meningkatkan laju difusi ion masuk dan keluar dari LiFePO4 pada suhu rendah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, Wu et al. menggunakan dua bahan berkarbon (karbon amorf dan karbon nanotube) untuk melapisi LiFePO4 (LFP@C/CNT), dan LFP@C/CNT yang dimodifikasi memiliki kinerja suhu rendah yang sangat baik. Tingkat retensi kapasitas sekitar 71.4% ketika dibuang pada -25 ° C. Analisis EIS menemukan bahwa peningkatan kinerja ini terutama disebabkan oleh berkurangnya impedansi bahan elektroda LiFePO4.
Gambar HRTEM (a), diagram skematik struktural (b) dan gambar SEM dari nanokomposit LFP@C/CNT di atas
Di antara banyak bahan pelapis, nanopartikel logam atau oksida logam telah menarik perhatian banyak peneliti karena konduktivitas listriknya yang sangat baik dan metode preparasi yang sederhana. Yao dkk. mempelajari pengaruh pelapisan CeO2 terhadap kinerja baterai LiFePO4/C. Pada percobaan, partikel CeO2 terdistribusi secara merata pada permukaan LiFePO4. Kinetika meningkat secara signifikan, yang dikaitkan dengan peningkatan kontak antara bahan elektroda dan kolektor arus serta partikel, serta peningkatan transfer muatan dalam antarmuka LiFePO4-elektrolit, yang mengurangi polarisasi elektroda.
Demikian pula, memanfaatkan konduktivitas listrik yang baik dari V2O3, itu dilapisi pada permukaan LiFePO4, dan sifat elektrokimia sampel dilapisi diuji. Penelitian tentang ion lithium menunjukkan bahwa lapisan V2O3 dengan konduktivitas yang baik dapat secara signifikan meningkatkan transportasi ion lithium dalam elektroda LiFePO4, sehingga baterai LiFePO2/C yang dimodifikasi V3O4 menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik dalam lingkungan suhu rendah, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.
Grafik di atas menunjukkan kinerja siklus LiFePO4 yang dilapisi dengan kandungan V2O3 yang berbeda pada suhu rendah
Permukaan material LiFePO4 dilapisi dengan nanopartikel Sn dengan proses elektrodeposisi (ED) sederhana, dan pengaruh pelapisan Sn terhadap kinerja elektrokimia sel LiFePO4/C diselidiki secara sistematis. Analisis SEM dan EIS menunjukkan bahwa pelapisan Sn meningkatkan kontak antara partikel LiFePO4, dan material memiliki resistansi transfer muatan yang lebih rendah dan laju difusi lithium yang lebih tinggi pada suhu rendah.
Oleh karena itu, pelapisan Sn meningkatkan kapasitas spesifik, kinerja siklus, dan kemampuan laju sel LiFePO4/C pada suhu rendah. Selain itu, Tang et al. menggunakan aluminium-doped zinc oxide (AZO) sebagai bahan konduktif untuk melapisi permukaan bahan elektroda LiFePO4. Hasil uji elektrokimia menunjukkan bahwa pelapisan AZO juga dapat sangat meningkatkan kemampuan laju dan kinerja suhu rendah LiFePO4, yang disebabkan oleh pelapisan AZO yang konduktif meningkatkan konduktivitas listrik bahan LiFePO4.
Doping Massal Mengurangi Resistensi Massal Bahan Elektroda LiFePO4
Doping ion dapat membentuk kekosongan dalam struktur kisi olivin LiFePO4, yang mendorong laju difusi ion litium dalam bahan, sehingga meningkatkan aktivitas elektrokimia baterai LiFePO4. Bahan elektroda komposit aerogel lantanum dan magnesium yang didoping Li0.99La0.01Fe0.9Mg0.1PO4/grafit disintesis dengan proses impregnasi larutan. Bahan menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik pada suhu rendah. Hasil eksperimen impedansi elektrokimia menunjukkan bahwa, Keunggulan ini terutama disebabkan oleh peningkatan konduktivitas elektronik material dengan doping ion dan pelapisan aerogel grafit.
Kesimpulan dan Outlook
Artikel ini secara singkat menguraikan 4 metode untuk meningkatkan kinerja suhu rendah baterai lithium besi fosfat:
- Arus pulsa menghasilkan panas;
- Film SEI permukaan yang dimodifikasi elektrolit;
- Pelapisan permukaan meningkatkan konduktivitas permukaan bahan LiFePO4;
- Doping ion massal meningkatkan konduktivitas bahan LiFePO4.
Dalam lingkungan suhu rendah, peningkatan resistensi antarmuka baterai LiFePO4 dan pertumbuhan film SEI yang disebabkan oleh deposisi lithium adalah alasan utama penurunan kinerja baterai.
Arus berdenyut dapat mempercepat pergerakan muatan dalam elektrolit untuk menghasilkan panas, yang dapat dengan cepat memanaskan LIB. Penggunaan sistem elektrolit impedansi rendah atau aditif pembentuk film kondusif untuk pembentukan film SEI padat dan ultra tipis dengan konduktivitas ionik tinggi, meningkatkan ketahanan reaksi antarmuka elektroda-elektrolit LiFePO4, dan mengurangi efek negatif lambat. difusi ion yang disebabkan oleh suhu rendah.
Ada dua cara utama untuk memodifikasi bahan LiFePO4: pelapisan permukaan dan doping ion.
Lapisan permukaan bahan elektroda LiFePO4 kondusif untuk meningkatkan konduktivitas permukaan bahan elektroda dan mengurangi resistansi kontak; sedangkan doping ion bermanfaat untuk pembentukan kekosongan dan perubahan valensi dalam struktur kisi, memperluas saluran difusi ion, dan mempromosikan ion litium dan elektron dalam material. tingkat migrasi.
Oleh karena itu, berdasarkan analisis di atas, kunci untuk meningkatkan kinerja suhu rendah baterai lithium besi fosfat adalah dengan mengurangi impedansi di dalam baterai.
Baterai Pemanasan Sendiri Keheng
100AH 12V Pemanasan Suhu Rendah Aktifkan
Rangkaian Produk Keheng New Energy
Baterai Escooter/ebike
Baterai LiFePO12 24V / 4V
Pembangkit listrik portabel
Sistem penyimpanan energi ESS
