Karakteristik baterai lithium-ion sangat dipengaruhi oleh suhu lingkungan, terutama di lingkungan bersuhu rendah, di mana energi dan daya yang tersedia menipis secara serius, dan penggunaan jangka panjang di lingkungan bersuhu rendah akan mempercepat penuaan daya lithium-ion. baterai dan memperpendek masa pakainya.
Dengan pesatnya perkembangan industri kendaraan energi baru, beberapa potensi masalah mulai muncul.
Misalnya, ketika kendaraan listrik berjalan di lingkungan bersuhu rendah, terjadi kegagalan daya pada komponen utamanya seperti baterai lithium-ion dan motornya.
Dapat dipahami bahwa jangkauan mengemudi dan kinerja pengisian dan pemakaian kendaraan listrik murni seperti Tesla Models, Nissan Leaf, Chevrolet Volt, dan seri BAIC New Energy EV sangat ditantang oleh lingkungan bersuhu rendah.
Selama promosi kendaraan listrik, jarak jelajah, waktu pengisian dan keamanan penggunaan terutama dibatasi oleh karakteristik baterai lithium-ion.
Karakteristik baterai lithium-ion sangat dipengaruhi oleh suhu sekitar, terutama di lingkungan bersuhu rendah, di mana energi dan daya yang tersedia menipis secara serius, dan penggunaan jangka panjang di lingkungan bersuhu rendah akan mempercepat penuaan lithium- baterai daya ion dan mempersingkat masa pakainya.
Kapasitas dan tegangan kerja baterai lithium-ion yang umum digunakan untuk kendaraan listrik akan berkurang secara signifikan pada -10 °C, dan kinerjanya akan lebih buruk pada -20 °C, yang menunjukkan bahwa kapasitas pelepasan yang tersedia turun tajam, dan hanya dapat mempertahankan 30% dari kapasitas spesifik pada suhu kamar. tentang.
Juga sulit untuk mengisi baterai lithium-ion di lingkungan bersuhu rendah, dan lithium logam mudah disimpan di permukaan elektroda negatif selama pengisian. Pertumbuhan dendrit lithium akan menembus pemisah baterai dan menyebabkan korsleting internal pada baterai, yang tidak hanya menyebabkan kerusakan permanen pada baterai, tetapi juga menyebabkan pelarian termal baterai, yang sangat mengurangi keamanan penggunaannya.
Jadi, faktor apa yang membatasi kinerja ion lithium pada suhu rendah?
Karakteristik pengisian suhu rendah baterai lithium ion power
Jika Anda ingin memahami kinerja suhu rendah ion lithium, Anda dapat menganalisisnya dengan menguji karakteristik suhu rendah baterai daya ion lithium. Untuk menguji karakteristik suhu rendah baterai daya lithium-ion, baterai daya lithium-ion dengan spesifikasi dan bahan yang berbeda dapat digunakan untuk pengujian, termasuk uji pelepasan suhu rendah, pengisian daya, dan impedansi AC.
Ketika baterai daya lithium-ion mulai mengisi daya, tegangan terminal baterai naik secara instan, dan semakin rendah suhunya, semakin tinggi tegangan awal pengisian daya baterai lithium-ion. Pada suhu rendah, tegangan terminal naik lebih cepat, dan akan segera mencapai tegangan cut-off dan memasuki tahap pengisian tegangan konstan.
Saat suhu menurun, waktu pengisian arus konstan baterai lithium-ion akan dipersingkat, sementara waktu pengisian dalam fase tegangan konstan akan diperpanjang, dan total waktu pengisian juga akan menjadi lebih lama. Oleh karena itu, di bawah muatan yang sama, waktu pengisian yang diperlukan untuk baterai daya lithium-ion akan sangat meningkat.
Di lingkungan suhu yang berbeda, hasil pengujian kapasitas pengisian daya baterai lithium-ion dibagi menjadi kapasitas pengisian tahap arus konstan dan kapasitas pengisian tahap tegangan konstan. Untuk baterai yang sama dengan kondisi batas pengisian daya yang sama, saat suhu turun, pengisian daya baterai lithium-ion secara keseluruhan menunjukkan tren penurunan.
Dalam mode pengisian yang disetel, saat suhu menurun, jumlah listrik yang dibebankan pada tahap tegangan konstan baterai lithium-ion akan meningkat. Oleh karena itu, penurunan suhu menyebabkan pengurangan kapasitas pengisian arus konstan baterai lithium-ion, yang terutama bergantung pada tegangan konstan untuk pengisian. Pengisian jangka panjang dalam tahap tegangan konstan akan memperpanjang waktu pengisian keseluruhan baterai lithium-ion, mengurangi efisiensi waktu pengisian, dan pengisian jangka panjang. Pengisian suhu rendah dan tegangan konstan juga merupakan salah satu alasan penurunan kinerja reaksi samping baterai lithium-ion.
Ketika baterai daya lithium-ion digunakan pada suhu rendah, karakteristik energi dan daya akan melemah secara serius. Dari perspektif makro, kinerja suhu rendah baterai lithium-ion menunjukkan bahwa dengan penurunan suhu, impedansi baterai lithium-ion meningkat, platform tegangan pelepasan menurun, dan tegangan terminal baterai turun dengan cepat, menghasilkan dalam jumlah besar kapasitas dan daya yang tersedia. redaman.
Baterai daya lithium-ion tidak hanya sulit untuk mencapai debit arus tinggi pada suhu rendah, tetapi juga karena peningkatan impedansi baterai, tegangan pengisian naik dengan cepat, mempersingkat waktu baterai untuk mencapai tegangan pemutusan perlindungan pengisian, jadi ada kerugian dari pengisian yang sulit dan efisiensi pengisian yang rendah.
Secara mikroskopis, karakteristik suhu rendah baterai lithium-ion terutama dipengaruhi oleh konduktivitas ionik rendah dari elektrolit di dalam baterai pada suhu rendah, pengurangan laju reaksi elektrokimia elektroda baterai pada suhu rendah, pengurangan konduktivitas film SEI pada permukaan partikel grafit elektroda negatif baterai pada suhu rendah, dan suhu rendah. Di bawah kendala faktor-faktor seperti koefisien difusi fase padat yang rendah dari ion lithium dalam partikel bahan grafit dari elektroda negatif baterai.
Oleh karena itu, kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah pertama-tama terkait dengan elektrolit baterai. Pelarut elektrolit baterai lithium-ion tidak hanya secara langsung mempengaruhi kisaran suhu cairan elektrolit, tetapi juga secara langsung berpartisipasi dalam reaksi pembentukan film SEI.
Konduktivitas elektrolit menurun pada suhu rendah, dan logam lithium yang diendapkan mudah bereaksi dengan elektrolit karena pengisian suhu rendah, yang mengakibatkan penurunan lebih lanjut dari kinerja suhu rendah baterai lithium-ion.
Peningkatan resistansi film SEI dari elektroda internal baterai pada suhu rendah adalah faktor lain yang memperburuk kinerja suhu rendah baterai daya lithium-ion. Pada suhu rendah, resistansi film SEI dari elektroda internal baterai meningkat, dan daya baterai lithium-ion yang tersedia berkurang.
Selama pengisian suhu rendah, litium logam diendapkan pada permukaan partikel elektroda negatif, dan reaksi antara logam litium dan elektrolit menghasilkan penebalan film SEI. Di satu sisi, impedansi film SEI baterai meningkat, dan di sisi lain, pengurangan ion lithium aktif yang tersedia di elektroda negatif dapat menyebabkan penurunan kapasitas baterai lithium-ion yang tidak dapat diubah.
Pada suhu rendah, laju reaksi elektrokimia baterai lithium-ion berkurang, dan resistansi internal transfer muatan meningkat secara signifikan. Dibandingkan dengan resistansi internal ohmik elektrokimia dan impedansi film SEI, efek kontrol suhu pada proses reaksi elektrokimia baterai lebih jelas, dan resistansi internal transfer muatan meningkat secara eksponensial dengan penurunan suhu. Alasan utama penurunan kinerja daya baterai daya ion.
Pengurangan koefisien difusi fase padat ion lithium dalam grafit anoda juga merupakan salah satu faktor utama yang menyebabkan penurunan kinerja suhu rendah baterai lithium-ion. Pengurangan koefisien difusi fase padat ion litium dalam grafit anoda pada suhu rendah adalah langkah pengontrol laju utama yang mengarah pada penurunan karakteristik kapasitas baterai daya ion litium.
Ketika baterai diisi pada suhu rendah, koefisien difusi yang kecil akan menghambat proses difusi ion lithium di grafit elektroda negatif, yang dengan mudah akan menyebabkan "deposisi lithium" pada permukaan partikel elektroda negatif, menyebabkan kerusakan permanen pada baterai. baterai.
Karakteristik debit suhu rendah dari baterai lithium ion power
Ambil 18650 jenis baterai lithium-ion sistem nikel-kobalt-mangan, baterai lithium-ion sistem besi fosfat lithium, baterai lithium-ion sistem nikel-kobalt-mangan sebagai contoh, uji pelepasan terlebih dahulu. Di lingkungan 25 , tiga baterai lithium-ion daya diisi dengan arus konstan dan tegangan konstan untuk membuat SOC (daya yang tersisa) mencapai 100%, dan kemudian berdiri selama 4 jam pada suhu yang berbeda, dan menunggu suhu baterai untuk mencapai suhu yang disetel. Kemudian, lakukan tes yang sesuai.
Untuk mempelajari karakteristik pelepasan baterai pada suhu rendah, dimungkinkan untuk menggunakan baterai daya lithium-ion dengan spesifikasi berbeda di bawah dua sistem material yang berbeda untuk melepaskan tegangan pada suhu yang berbeda dan laju yang berbeda (1C, 2C), dan menggunakan tiga baterai daya lithium-ion dengan karakteristik yang berbeda. Kapasitas pengenal dan laju arus digunakan untuk menganalisis karakteristik baterai daya lithium-ion secara seragam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Dengan penurunan suhu sekitar, tegangan pelepasan baterai menunjukkan tren penurunan yang cepat, dan karakteristik daya baterai daya lithium-ion memburuk. Dengan penurunan suhu, waktu baterai lithium-ion untuk mencapai tegangan cut-off dipersingkat, menunjukkan bahwa kapasitas yang tersedia sangat dilemahkan. .
Sebagai perbandingan, dapat ditemukan bahwa pada suhu yang sama, tingkat peluruhan baterai lithium-ion sistem besi fosfat lithium-ion lebih tinggi daripada baterai lithium-ion sistem 18650 nikel-kobalt-mangan, yang ditentukan oleh sifat-sifat bahan. Konduktivitas suhu rendah yang melekat dari bahan lithium besi fosfat buruk, mengakibatkan redaman serius karakteristik suhu rendah baterai lithium-ion.
Oleh karena itu, semakin rendah suhu, semakin besar penurunan tegangan terminal awal baterai lithium-ion. Saat suhu menurun, impedansi baterai daya lithium-ion meningkat, menghasilkan peningkatan tekanan parsial dari resistansi internal baterai, sehingga tegangan terminal baterai menurun.
Pada tahap awal pelepasan suhu rendah baterai daya lithium-ion, tegangan terminal telah pulih, yang terutama disebabkan oleh pembangkitan panas baterai daya lithium-ion selama proses pelepasan.
Untuk sepenuhnya memahami pengaruh suhu dan laju pengosongan pada karakteristik daya dan kapasitas baterai daya lithium-ion, rasio kapasitas yang tersedia dari dua baterai daya lithium-ion pada laju dan suhu pengosongan yang berbeda dapat dianalisis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.
Saat suhu menurun, kapasitas baterai lithium-ion yang tersedia akan berkurang. Kapasitas baterai daya lithium-ion akan turun secara signifikan seiring dengan penurunan suhu sekitar. Ketika baterai daya lithium-ion sistem nikel-kobalt-mangan tipe 18650 telah meluruh hingga sekitar 50% dari kapasitas pengosongan pada 25 pada debit laju 0.5C dan kapasitas pengosongan laju 1C pada -30℃, kapasitas pengosongan arus konstan 2C adalah 0.
Menurut perbandingan data, pada suhu yang sama, tingkat peluruhan baterai lithium ion sistem besi fosfat lithium besi lebih tinggi daripada baterai lithium ion sistem 18650 nikel kobalt mangan, yang disebabkan oleh konduktivitas suhu rendah yang buruk dari bahan lithium besi fosfat.
Tegangan terminal pelepasan awal baterai daya lithium-ion tidak hanya dipengaruhi oleh suhu, tetapi juga oleh laju pelepasan. Saat suhu turun, tegangan terminal pelepasan awal baterai lithium-ion terus menurun, terutama karena penurunan suhu, resistansi internal baterai lithium-ion meningkat, dan tegangan internal baterai lithium-ion meningkat.
Selain itu, saat suhu menurun, perbedaan tegangan terminal awal baterai lithium-ion pada tingkat yang berbeda juga lebih jelas. Suhu -30℃, tegangan awal pelepasan laju 0.5C hanya 6.8% lebih rendah dari tegangan awal pada 25℃, tegangan awal pelepasan laju 1C hampir 12.7% lebih rendah dari tegangan awal 25℃, laju 2C Awal tegangan pelepasan turun hampir 22.8% dibandingkan dengan tegangan pelepasan awal pada 25 .
Pada suhu rendah dan debit tingkat tinggi, tegangan output baterai lithium-ion juga sangat dilemahkan, yang mempengaruhi output daya baterai lithium-ion. Di bawah kondisi operasi kendaraan, ini terutama mempengaruhi karakteristik akselerasi dan pendakian kendaraan.
Karakteristik impedansi elektrokimia suhu rendah dari baterai lithium ion
Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS), juga dikenal sebagai spektroskopi impedansi AC, adalah untuk mengukur perubahan frekuensi dengan menerapkan sinyal AC sinusoidal amplitudo kecil (tegangan atau arus) ke sistem elektrokimia dalam rentang frekuensi tertentu. Sebuah metode untuk rasio tegangan AC untuk sinyal arus.
Metode ini dapat memperoleh lebih banyak informasi tentang struktur dan kinetika antarmuka elektroda dibandingkan metode elektrokimia konvensional lainnya, sehingga banyak digunakan untuk mempelajari mekanisme internal baterai Li-ion.
Impedansi ohmik frekuensi tinggi meningkat dengan penurunan suhu; frekuensi tinggi dan frekuensi menengah impedansi secara bertahap berkembang dengan penurunan suhu. Oleh karena itu, resistansi film dari antarmuka padat-cair dan resistansi internal transfer muatan akan meningkat.
Pada suhu rendah, untuk baterai lithium-ion sistem nikel-kobalt-mangan tipe 18650, difusi akan hilang, dan pada -20 , impedansi akan meningkat beberapa kali lipat pada suhu kamar.
Oleh karena itu, daerah frekuensi ultra-tinggi (di atas 10 kHz) mewakili pengangkutan elektron melalui partikel bahan aktif dan pengangkutan ion litium dalam elektrolit antara partikel bahan aktif, yang direpresentasikan sebagai perpotongan dari spektrum dan sumbu nyata pada spektrum EIS, Didefinisikan sebagai resistansi internal ohmik elektrokimia R0.
Difusi dan migrasi ion lithium melalui film SEI pada permukaan partikel bahan aktif di wilayah frekuensi tinggi muncul sebagai busur setengah lingkaran pada peta impedansi. Proses ini secara ekuivalen digantikan oleh struktur paralel RSEI/CSEI dalam model impedansi.
Busur impedansi yang terkait dengan reaksi elektrokimia di wilayah frekuensi menengah mencakup dua proses migrasi muatan dan muatan dan pelepasan lapisan ganda listrik. Proses transfer muatan terjadi pada antarmuka timbal balik elektroda fase padat dan elektrolit. Proses ini mengikuti hukum Faraday, sehingga disebut juga proses Faraday.
Dalam proses migrasi muatan, kecepatan transfer muatan dicerminkan oleh arus Faraday. Secara umum, proses migrasi muatan dapat ekuivalen dengan resistansi murni, yang disebut resistansi internal migrasi muatan atau resistansi Faraday, dan diwakili oleh R ct.
Proses charge-discharge dari lapisan ganda listrik disebut juga proses Faraday. Proses ini juga terjadi di persimpangan elektroda fase padat dan antarmuka elektrolit fase cair, membentuk struktur fisik yang mirip dengan kapasitansi, sehingga membentuk lapisan ganda listrik antarmuka elektroda. Cdl kapasitansi mewakili.
Daerah frekuensi rendah terutama disebabkan oleh proses difusi ion litium dalam partikel bahan aktif. Ketika reaksi elektrokimia terjadi, arus Faradaic mengalir melalui antarmuka antara elektroda fase padat dan elektrolit, mengakibatkan konsumsi reaktan dan akumulasi produk pada antarmuka, menghasilkan perbedaan konsentrasi antara fase padat dan cair.
Menurut teori elektroda berpori, elektroda fase padat diasumsikan sebagai partikel berbentuk bola dengan porositas tertentu. Ketika reaksi berlanjut, akumulasi zat di dalam partikel akan meningkat, gradien konsentrasi zat di dalam dan di luar antarmuka akan berkurang, dan laju difusi zat akan berkurang. lambat.
Ketika zat pada elektroda berdifusi perlahan ke keadaan tunak, terjadi polarisasi konsentrasi yang stabil, yaitu fenomena polarisasi yang disebabkan oleh perbedaan distribusi konsentrasi ion lithium di dalam baterai.
Umumnya, impedansi difusi semi-tak terbatas impedansi Weber ZW dapat digunakan untuk mewakili proses difusi. Mengingat faktor geometris permukaan elektroda dan adanya adsorpsi, itu juga diwakili oleh elemen fase konstan, yang diwakili oleh simbol ZD.
Karena rentang uji EIS adalah 100 kHz – 0.01 Hz, tidak ada perubahan struktur kristal partikel bahan aktif di wilayah frekuensi sangat rendah atau setengah lingkaran yang terkait dengan pembentukan fase baru yang dapat diamati dalam spektrum EIS. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9, dengan bantuan perangkat lunak analisis spektrum impedansi AC ZView, parameter impedansi baterai R0, RSEI dan Rct dipasang dan diidentifikasi, dan ketiga nilai impedansi dapat dihitung dan diperoleh menurut horizontal sumbu spektrum impedansi.
Impedansi akan meningkat dengan penurunan suhu, di antaranya R0 dan RSEI berubah relatif lancar dengan suhu, dan nilai impedansi meningkat kurang dengan penurunan suhu. Tetapi Rct akan meningkat secara substansial dengan penurunan suhu. Karena R0 dan RSEI terutama dipengaruhi oleh konduktivitas ionik dalam elektrolit, hukum perubahan suhu mirip dengan konduktivitas ionik elektrolit dengan suhu.
Secara umum, untuk memecahkan masalah kendaraan energi baru yang beroperasi di lingkungan bersuhu rendah, kita harus mulai dengan kinerja baterai lithium-ion.
Bertujuan pada faktor-faktor yang tidak menguntungkan dari suhu rendah baterai lithium, tim insinyur baterai lithium Keheng telah mengembangkan fungsi pemanasan sendiri baterai dalam suhu rendah dan lingkungan yang sangat dingin, yang secara efektif dapat mengatasi cacat baterai lithium ini. Pemanasan sendiri adalah fungsi opsional baterai siklus dalam besi fosfat lithium. Semua baterai lithium besi fosfat Keheng dapat dilengkapi dengan fungsi pemanasan sendiri, serta fungsi Bluetooth dan fungsi pemantauan aplikasi ponsel sistem BMS.
Baterai pemanas otomatis Keheng
100AH 12V Pemanasan Suhu Rendah Aktifkan
