양극재는 리튬 이온 배터리의 핵심 부품으로 고용량, 강한 안정성 및 낮은 독성의 요구 사항을 충족해야 합니다.
다른 음극 재료와 비교하여 LiFePO4 전극 재료는 더 높은 이론 용량, 안정적인 작동 전압, 안정적인 구조, 우수한 순환성, 저렴한 원료 비용 및 환경 친화성과 같은 많은 장점이 있습니다.
따라서 LiFePO4는 이상적인 양극 재료이며 전력 배터리의 주요 양극 재료 중 하나로 선택됩니다.
많은 연구자들이 저온에서 LIB의 가속화된 성능 저하 메커니즘을 연구했으며 활성 리튬과 촉매적으로 성장한 고체 상태 전해질 계면(SEI)의 증착이 이온 전도도의 감소와 전해질의 전자 이동도. LIB의 용량과 전력이 감소하고 때로는 배터리 성능이 저하되기도 합니다.
LIB의 저온 작업 환경은 주로 겨울철 및 고위도 및 고고도 지역에서 발생하며, 저온 환경은 LIB의 성능과 수명에 영향을 미치며 매우 심각한 안전 문제를 일으킬 수 있습니다. 저온의 영향으로 흑연의 리튬 삽입 속도가 감소하고 금속 리튬이 음극 표면에 쉽게 석출되어 리튬 덴드라이트를 형성하여 다이어프램을 관통하여 배터리 내부 단락을 유발합니다.
따라서 LIB의 저온 성능을 향상시키는 방법은 고산 지역에서 전기 자동차의 사용을 촉진하는 데 큰 의의가 있습니다.
이 논문은 다음 네 가지 측면에서 LiFePO4 배터리의 저온 성능을 향상시키는 방법을 요약합니다.
1) 펄스 전류는 열을 발생시킵니다.
2) 전해질 첨가제를 사용하여 고품질 SEI 필름을 준비합니다.
3) 표면 코팅 개질된 LiFePO4 재료의 계면 전도도;
4) 이온 도핑된 변형 LiFePO4 재료의 벌크 전도도.
펄스 전류 발열
펄스 전류에 의해 빠르게 가열된 LIB의 충전 과정에서 전해질 내의 이온의 이동과 분극은 LIB의 내부 발열을 촉진합니다. 이 발열 메커니즘은 저온에서 LIB의 성능을 향상시키는 데 효과적으로 사용할 수 있습니다. 펄스전류는 방향이 변하지 않고 시간에 따라 전류의 세기나 전압이 주기적으로 변하는 전류를 말한다. 저온에서 배터리 온도를 빠르고 안전하게 높이기 위해 펄스 전류가 LIB를 가열하는 방법을 이론적으로 시뮬레이션하고 시뮬레이션 결과를 상용 LIB에 대한 실험 테스트를 통해 검증합니다. 연속 충전과 펄스 충전의 발열 차이는 그림 1에 나와 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 마이크로초 펄스 시간은 리튬 배터리에서 더 많은 발열을 촉진할 수 있습니다.
양극재는 리튬 이온 배터리의 핵심 부품으로 고용량, 강한 안정성 및 낮은 독성의 요구 사항을 충족해야 합니다.
다른 음극 재료와 비교하여 LiFePO4 전극 재료는 더 높은 이론 용량, 안정적인 작동 전압, 안정적인 구조, 우수한 순환성, 저렴한 원료 비용 및 환경 친화성과 같은 많은 장점이 있습니다.
따라서 LiFePO4는 이상적인 양극 재료이며 전력 배터리의 주요 양극 재료 중 하나로 선택됩니다.
많은 연구자들이 저온에서 LIB의 가속화된 성능 저하 메커니즘을 연구했으며 활성 리튬과 촉매적으로 성장한 고체 상태 전해질 계면(SEI)의 증착이 이온 전도도의 감소와 전해질의 전자 이동도. LIB의 용량과 전력이 감소하고 때로는 배터리 성능이 저하되기도 합니다.
LIB의 저온 작업 환경은 주로 겨울철 및 고위도 및 고고도 지역에서 발생하며, 저온 환경은 LIB의 성능과 수명에 영향을 미치며 매우 심각한 안전 문제를 일으킬 수 있습니다. 저온의 영향으로 흑연의 리튬 삽입 속도가 감소하고 금속 리튬이 음극 표면에 쉽게 석출되어 리튬 덴드라이트를 형성하여 다이어프램을 관통하여 배터리 내부 단락을 유발합니다.
따라서 LIB의 저온 성능을 향상시키는 방법은 고산 지역에서 전기 자동차의 사용을 촉진하는 데 큰 의의가 있습니다.
이 백서는 다음 네 가지 측면에서 LiFePO4 배터리의 저온 성능을 개선하는 방법을 요약합니다.
1) 펄스 전류는 열을 발생시킵니다.
2) 전해질 첨가제를 사용하여 고품질 SEI 필름을 준비합니다.
3) 표면 코팅 개질된 LiFePO4 재료의 계면 전도도;
4) 이온 도핑된 변형 LiFePO4 재료의 벌크 전도도.
펄스 전류 발열
펄스 전류에 의해 빠르게 가열된 LIB의 충전 과정에서 전해질 내의 이온의 이동과 분극은 LIB의 내부 발열을 촉진합니다. 이 발열 메커니즘은 저온에서 LIB의 성능을 향상시키는 데 효과적으로 사용할 수 있습니다. 펄스전류는 방향이 변하지 않고 시간에 따라 전류의 세기나 전압이 주기적으로 변하는 전류를 말한다. 저온에서 배터리 온도를 빠르고 안전하게 높이기 위해 펄스 전류가 LIB를 가열하는 방법을 이론적으로 시뮬레이션하고 시뮬레이션 결과를 상용 LIB에 대한 실험 테스트를 통해 검증합니다. 연속 충전과 펄스 충전의 발열 차이는 그림 1에 나와 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 마이크로초 펄스 시간은 리튬 배터리에서 더 많은 발열을 촉진할 수 있습니다.
위 그림에서 Zhao et al. 펄스 및 연속 충전 모드에서 생성된 열을 통해 LiFePO4/MCNB 배터리에 대한 펄스 전류의 여기 효과를 연구했습니다. 모드와 비교했을 때 전체 충전 시간은 36분(23.4%) 단축되었으며, 동일한 방전율에서 용량은 7.1% 증가했다. 따라서 이 충전 모드는 저온 LiFePO4 배터리의 고속 충전에 유리합니다.
펄스 전류 가열 방식이 LiFePO4 전원 리튬 이온 배터리의 저온 배터리 수명(건강 상태)에 미치는 영향을 연구했습니다. 그들은 아래 그림과 같이 펄스 전류 주파수, 전류 강도 및 전압 범위가 배터리 온도에 미치는 영향을 각각 연구했습니다. 높은 전류 강도, 더 낮은 주파수 및 더 넓은 전압 범위는 LIB의 열 축적 및 온도 상승을 향상시킵니다. 또한, 240개의 가열 사이클(각 사이클은 -1800°C에서 펄스 가열의 20초와 동일) 후, 셀 용량 유지 및 전기화학적 임피던스를 연구하여 펄스 전류 가열 후 LIB의 상태를 평가하고 SEM 및 EDS로 분석했습니다. 배터리의 음극 표면 형태의 변화를 연구한 결과 펄스 전류 가열이 음극 표면의 리튬 이온 침착을 증가시키지 않으므로 펄스 가열이 위험을 악화시키지 않는 것으로 나타났습니다. 리튬 증착으로 인한 용량 감소 및 리튬 덴드라이트 성장.
전해질-전극 계면에서 전하 이동 저항을 줄이기 위한 SEI 막의 전해질 변형
리튬 이온 배터리의 저온 성능은 배터리의 이온 이동도와 밀접한 관련이 있습니다. LiFePO1 상용 리튬 배터리의 저온 성능에 대한 탄산염 기반 전해질(6 mol/L LiPF11/EC+DMC+DEC+EMC, 부피비 3:4)의 영향을 연구했습니다. 작동 온도가 -20 °C보다 낮으면 배터리의 전기화학적 성능이 크게 저하되며 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 테스트에 따르면 전하 이동 저항의 증가와 리튬 이온 확산 용량의 감소가 배터리의 주요 요인인 것으로 나타났습니다. 배터리 성능 저하. 따라서 전해질-전극 계면의 반응성을 향상시키기 위해 전해질을 변경함으로써 LiFePO4 전지의 저온 성능을 향상시킬 것으로 기대된다.
위 (a) 다른 온도에서 LiFePO4 전극의 EIS; (b) LiFePO4 EIS가 장착된 등가 회로 모델
LiFePO4 배터리의 저온 전기화학적 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 전해질 시스템을 찾기 위해 Zhang et al. LiFePO4 배터리의 저온 사이클링 성능을 개선하기 위해 전해질에 LiBF4-LiBOB 혼합 염을 추가하려고 시도했습니다. 특히, 혼합염에서 LiBOB의 몰분율이 10% 미만인 경우에만 최적화된 성능을 달성하였다. Zhou et al. LiFePO4/C 배터리의 전해질로 LiPF2(C4O4)(LiFOP)를 프로필렌 카보네이트(PC)에 용해하여 일반적으로 사용되는 LiPF6-EC 전해질 시스템과 비교했습니다. LIB의 첫 번째 사이클 방전 용량은 배터리가 저온에서 사이클링될 때 크게 감소하는 것으로 나타났습니다. 한편, EIS 데이터는 LiFOP/PC 전해질이 LIB의 내부 임피던스를 감소시켜 LIB의 저온 사이클링 성능을 개선함을 나타냅니다.
Li et al. 두 가지 리튬 디플루오로(옥살레이트)보레이트(LiODFB) 전해질 시스템인 LiODFB-DMS 및 LiODFB-SL/DMS의 전기화학적 성능을 연구하고 일반적으로 사용되는 LiPF6-EC/DMC 전해질과 전기화학적 성능을 비교하여 LiODFB-SL이 /DMS 및 LiODFB-SL/DES 전해질은 저온에서 LiFePO4 배터리의 사이클링 안정성과 속도 기능을 향상시킬 수 있습니다. EIS 연구에 따르면 LiODFB 전해질은 계면 임피던스가 낮은 SEI 필름을 형성하는 데 도움이 되며, 이는 이온 확산과 전하 이동을 촉진하여 LiFePO4 배터리의 저온 사이클링 성능을 향상시킵니다. 따라서, 적절한 전해질 조성은 전하 이동 저항을 감소시키고 전극 재료 계면에서 리튬 이온의 확산 속도를 증가시켜 LIB의 저온 성능을 효과적으로 향상시키는 데 유리하다.
전해질 첨가제는 또한 SEI 필름의 구성과 구조를 제어하여 LIB의 성능을 향상시키는 효과적인 방법 중 하나입니다. Liao et al. FEC가 저온에서 LiFePO4 배터리의 방전 용량과 속도 성능에 미치는 영향을 연구했습니다. 이 연구는 전해질에 2% FEC를 추가한 후 LiFePO4 배터리가 저온에서 더 높은 방전 용량과 속도 성능을 보였다는 것을 발견했습니다. SEM 및 XPS는 SEI의 형성을 나타내었고, EIS 결과는 전해질에 FEC를 첨가하는 것이 저온에서 LiFePO4 배터리의 임피던스를 효과적으로 감소시킬 수 있음을 보여주므로 배터리 성능의 개선은 SEI 필름의 이온 전도도 증가에 기인한다. 및 LiFePO4 전극의 분극. 줄이다. Wu et al. XPS를 사용하여 SEI 필름을 분석하고 관련 메커니즘을 추가로 연구했습니다. FEC가 계면막 형성에 참여하면 LiPF6와 탄산염 용매의 분해가 약해지고 용매 분해에 의해 생성되는 LixPOyFz와 탄산염 물질의 함량이 감소함을 발견하였다. 이에 의해, LiFePO4의 표면에 저저항 및 조밀한 구조를 갖는 SEI막이 형성된다. 그림 4에서 보는 바와 같이 FEC를 첨가한 후 LiFePO4의 CV 곡선은 산화/환원 피크가 서로 가까워짐을 보여 FEC를 첨가하면 LiFePO4 전극의 분극을 감소시킬 수 있음을 나타냅니다. 따라서 변형된 SEI는 전극/전해질 계면에서 리튬 이온의 이동을 촉진하여 LiFePO4 전극의 전기화학적 성능을 향상시킵니다.
위의 그림은 -4°C에서 부피 분율이 0% 및 10% FEC인 전해질에서 LiFePO20 전지의 순환 전압전류도를 보여줍니다.
또한 전해질에 부틸 설톤(BS)을 첨가하면 구조가 더 얇고 임피던스가 낮은 SEI 막을 형성하고 통과할 때 리튬 이온의 이동 속도를 향상시키는 유사한 효과가 있음을 연구에서도 발견했습니다. SEI 필름을 통해 따라서 BS LiFePO4를 추가하면 저온에서 LiFePO4 배터리의 용량과 속도 성능이 크게 향상됩니다.
LiFePO4 재료의 표면 저항을 줄이기 위해 전도성 층으로 표면 코팅
저온 환경에서 리튬 전지의 성능이 저하되는 중요한 원인 중 하나는 전극 계면에서 임피던스가 증가하고 이온 확산 속도가 감소하기 때문입니다. LiFePO4 표면 코팅 전도층은 전극 물질 간의 접촉 저항을 효과적으로 감소시켜 저온에서 LiFePO4 안팎으로 이온의 확산 속도를 향상시킬 수 있습니다. 도 5에 도시된 바와 같이, Wu et al. LiFePO4(LFP@C/CNT)를 코팅하기 위해 두 가지 탄소 재료(비정질 탄소 및 탄소 나노튜브)를 사용했으며, 변형된 LFP@C/CNT는 우수한 저온 성능을 보였다. -71.4°C에서 방전 시 용량 유지율은 약 25%입니다. EIS 분석에 따르면 이러한 성능 향상은 주로 LiFePO4 전극 재료의 임피던스 감소로 인한 것입니다.
위의 LFP@C/CNT 나노복합체의 HRTEM 이미지(a), 구조적 개략도(b) 및 SEM 이미지
많은 코팅 재료 중에서 금속 또는 금속 산화물 나노 입자는 우수한 전기 전도성과 간단한 제조 방법으로 인해 많은 연구자들의 관심을 끌고 있습니다. Yao et al. LiFePO2/C 배터리의 성능에 대한 CeO4 코팅의 영향을 연구했습니다. 실험에서 CeO2 입자는 LiFePO4 표면에 균일하게 분포되어 있었다. 동역학은 상당히 개선되었으며, 이는 전극 재료와 집전체 및 입자 사이의 개선된 접촉뿐만 아니라 전극 분극을 감소시키는 LiFePO4-전해질 계면의 증가된 전하 이동에 기인합니다.
마찬가지로, V2O3의 우수한 전기 전도성을 이용하여 LiFePO4 표면에 코팅하고 코팅된 샘플의 전기화학적 특성을 테스트했습니다. 리튬 이온에 대한 연구에 따르면 전도성이 좋은 V2O3 층이 LiFePO4 전극에서 리튬 이온 수송을 크게 촉진할 수 있으므로 V2O3로 변형된 LiFePO4/C 배터리는 다음 그림과 같이 저온 환경에서 우수한 전기화학적 성능을 나타냅니다.
위의 그래프는 저온에서 다양한 V4O2 함량으로 코팅된 LiFePO3의 사이클링 성능을 보여줍니다.
LiFePO4 재료의 표면은 간단한 전착(ED) 공정에 의해 Sn 나노입자로 코팅되었고, Sn 코팅이 LiFePO4/C 전지의 전기화학적 성능에 미치는 영향을 체계적으로 조사하였다. SEM 및 EIS 분석은 Sn 코팅이 LiFePO4 입자 사이의 접촉을 향상시켰고 재료가 저온에서 더 낮은 전하 이동 저항과 더 높은 리튬 확산 속도를 가짐을 보여주었다.
따라서 Sn 코팅은 저온에서 LiFePO4/C 전지의 비용량, 사이클링 성능 및 속도 성능을 향상시킵니다. 또한 Tang et al. LiFePO4 전극 재료의 표면을 코팅하기 위해 전도성 재료로 알루미늄 도핑된 산화아연(AZO)을 사용했습니다. 전기화학적 테스트 결과는 AZO 코팅이 LiFePO4 재료의 전기 전도도를 증가시키는 전도성 AZO 코팅으로 인해 LiFePO4의 속도 성능과 저온 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.
벌크 도핑으로 LiFePO4 전극 재료의 벌크 저항 감소
이온 도핑은 LiFePO4 올리빈 격자 구조에 공석을 형성할 수 있으며, 이는 재료에서 리튬 이온의 확산 속도를 촉진하여 LiFePO4 배터리의 전기화학적 활성을 향상시킵니다. 란탄 및 마그네슘 도핑된 Li0.99La0.01Fe0.9Mg0.1PO4/흑연 에어로겔 복합 전극 재료는 용액 함침 공정에 의해 합성되었습니다. 이 물질은 저온에서 우수한 전기화학적 성능을 나타냈다. 전기화학적 임피던스 실험 결과, 이러한 우수성은 주로 이온 도핑 및 흑연 에어로겔 코팅에 의해 재료의 향상된 전자 전도성에 기인한다는 것을 보여주었습니다.
결론 및 전망
이 기사에서는 인산철 리튬 배터리의 저온 성능을 개선하는 4가지 방법을 간략하게 설명합니다.
- 펄스 전류는 열을 발생시킵니다.
- 전해질 변형 표면 SEI 필름;
- 표면 코팅은 LiFePO4 재료의 표면 전도성을 향상시킵니다.
- 벌크 이온 도핑은 LiFePO4 재료의 전도성을 향상시킵니다.
저온 환경에서 LiFePO4 배터리의 계면 저항 증가와 리튬 증착으로 인한 SEI 막 성장은 배터리 성능 저하의 주요 원인입니다.
펄스 전류는 전해질의 전하 이동을 가속화하여 열을 발생시켜 LIB를 빠르게 가열할 수 있습니다. 저임피던스 전해질 시스템 또는 필름 형성 첨가제의 사용은 높은 이온 전도성을 갖는 조밀하고 초박형 SEI 필름의 형성에 도움이 되고, LiFePO4 전극-전해질 계면의 반응 저항을 개선하고, 느린 저온으로 인한 이온 확산.
LiFePO4 재료를 수정하는 두 가지 주요 방법은 표면 코팅과 이온 도핑입니다.
LiFePO4 전극 재료의 표면 코팅은 전극 재료의 표면 전도성을 개선하고 접촉 저항을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이온 도핑은 격자 구조의 공극 형성 및 원자가 변화, 이온 확산 채널 확장, 재료의 리튬 이온 및 전자 촉진에 유리합니다. 이주율.
따라서 위의 분석을 바탕으로 리튬 인산철 전지의 저온 성능 향상의 핵심은 전지 내부의 임피던스를 줄이는 것이다.
Keheng 자체 발열 배터리
Keheng New Energy의 제품 범위
스쿠터/ebike 배터리
12V/24V LiFePO4 배터리
휴대용 발전소
ESS 에너지 저장 시스템
