As características das baterias de energia de íons de lítio são significativamente afetadas pela temperatura ambiente, especialmente em ambientes de baixa temperatura, onde a energia e a potência disponíveis se atenuam seriamente, e o uso a longo prazo em ambientes de baixa temperatura acelerará o envelhecimento da energia de íons de lítio baterias e encurtar sua vida útil.
Com o rápido desenvolvimento da nova indústria de veículos de energia, alguns de seus problemas potenciais começaram a surgir.
Por exemplo, quando um veículo elétrico funciona em um ambiente de baixa temperatura, ocorre a falha de energia de seus principais componentes, como a bateria e o motor de íons de lítio.
Entende-se que a autonomia e o desempenho de carga e descarga de veículos elétricos puros, como Tesla Models, Nissan Leaf, Chevrolet Volt e BAIC New Energy EV series, são severamente desafiados por ambientes de baixa temperatura.
Durante a promoção dos veículos elétricos, a autonomia, o tempo de carregamento e a segurança de utilização são principalmente restringidos pelas características das baterias de iões de lítio.
As características das baterias de energia de íons de lítio são significativamente afetadas pela temperatura ambiente, especialmente em ambientes de baixa temperatura, onde a energia e a potência disponíveis se atenuam seriamente, e o uso a longo prazo em ambientes de baixa temperatura acelerará o envelhecimento do lítio- baterias de energia de íon e encurtam sua vida útil.
A capacidade e a tensão de trabalho da bateria de íon de lítio comumente usada para veículos elétricos serão significativamente reduzidas a -10°C, e o desempenho será ainda pior a -20°C, o que mostra que sua capacidade de descarga disponível cai acentuadamente, e só pode manter 30% da capacidade específica à temperatura ambiente. cerca de.
Também é difícil carregar baterias de íons de lítio em um ambiente de baixa temperatura, e o lítio metálico é facilmente depositado na superfície do eletrodo negativo durante o carregamento. O crescimento de dendritos de lítio perfurará o separador da bateria e causará um curto-circuito interno na bateria, o que não apenas causará danos permanentes à bateria, mas também induzirá a fuga térmica da bateria, o que reduz muito a segurança de seu uso.
Então, quais fatores restringem o desempenho em baixa temperatura dos íons de lítio?
Características de carregamento de baixa temperatura de baterias de íon de lítio
Se você quiser entender o desempenho de baixa temperatura do íon de lítio, você pode analisá-lo testando as características de baixa temperatura da bateria de íon de lítio. Para testar as características de baixa temperatura das baterias de íon-lítio, baterias de íon-lítio de diferentes especificações e materiais podem ser usadas para testes, incluindo descarga de baixa temperatura, carregamento e testes de impedância CA.
Quando a bateria de energia de íon de lítio começa a carregar, a tensão do terminal da bateria aumenta instantaneamente e, quanto menor a temperatura, maior será a tensão inicial do carregamento da bateria de íon de lítio. Em baixa temperatura, a tensão do terminal aumenta mais rapidamente e logo atingirá a tensão de corte e entrará no estágio de carga de tensão constante.
À medida que a temperatura diminui, o tempo de carregamento de corrente constante da bateria de íon de lítio será reduzido, enquanto o tempo de carregamento na fase de tensão constante será estendido e o tempo total de carregamento também será maior. Portanto, sob a mesma carga, o tempo de carregamento necessário para a bateria de energia de íons de lítio será bastante aumentado.
Em diferentes ambientes de temperatura, os resultados do teste da capacidade de carga das baterias de energia de íons de lítio são divididos na capacidade de carga do estágio de corrente constante e na capacidade de carga do estágio de tensão constante. Para a mesma bateria com a mesma condição de corte de carregamento, à medida que a temperatura cai, a carga geral da bateria de íon de lítio mostra uma tendência de queda.
No modo de carregamento definido, à medida que a temperatura diminui, a quantidade de eletricidade carregada no estágio de tensão constante da bateria de energia de íons de lítio aumentará. Portanto, a diminuição da temperatura leva à redução da capacidade de carga de corrente constante das baterias de íon de lítio, que dependem principalmente de tensão constante para carregamento. O carregamento de longo prazo no estágio de tensão constante prolongará o tempo total de carregamento das baterias de energia de íons de lítio, reduzindo a eficiência do tempo de carregamento e o carregamento de longo prazo. A baixa temperatura e o carregamento de tensão constante também são uma das razões para a degradação do desempenho da reação lateral das baterias de energia de íons de lítio.
Quando as baterias de íon de lítio são usadas em baixas temperaturas, as características de energia e potência são seriamente atenuadas. De uma perspectiva macro, o desempenho a baixa temperatura das baterias de íon de lítio mostra que, com a diminuição da temperatura, a impedância das baterias de íon de lítio aumenta, a plataforma de tensão de descarga diminui e a tensão do terminal da bateria cai rapidamente, resultando em uma grande quantidade de capacidade e potência disponíveis. atenuação.
As baterias de íon de lítio não são apenas difíceis de alcançar alta descarga de corrente em baixas temperaturas, mas também devido ao aumento da impedância da bateria, a tensão de carregamento aumenta rapidamente, diminuindo o tempo para a bateria atingir a tensão de terminação da proteção de carregamento, portanto, há desvantagens de carregamento difícil e baixa eficiência de carregamento.
Microscopicamente, as características de baixa temperatura das baterias de íon de lítio são afetadas principalmente pela baixa condutividade iônica do eletrólito dentro da bateria a baixa temperatura, a redução da taxa de reação eletroquímica do eletrodo da bateria a baixa temperatura, a redução de a condutividade do filme SEI na superfície das partículas de grafite do eletrodo negativo da bateria em baixa temperatura e a baixa temperatura. Sob as restrições de fatores como o baixo coeficiente de difusão em fase sólida de íons de lítio nas partículas de material de grafite do eletrodo negativo da bateria.
Portanto, o desempenho das baterias de íon de lítio em baixa temperatura está relacionado primeiro ao eletrólito da bateria. O solvente eletrolítico da bateria de íon-lítio não apenas afeta diretamente a faixa de temperatura liquidus do eletrólito, mas também participa diretamente da reação de formação do filme SEI.
A condutividade do eletrólito diminui em baixa temperatura, e o metal de lítio precipitado reage facilmente com o eletrólito devido ao carregamento de baixa temperatura, resultando em maior deterioração do desempenho de baixa temperatura das baterias de íon de lítio.
O aumento da resistência do filme SEI do eletrodo interno da bateria em baixa temperatura é outro fator que deteriora o desempenho em baixa temperatura da bateria de íon-lítio. Em baixa temperatura, a resistência do filme SEI do eletrodo interno da bateria aumenta e a potência disponível da bateria de íon-lítio diminui.
Durante o carregamento de baixa temperatura, o lítio metálico é precipitado na superfície das partículas do eletrodo negativo, e a reação entre o metal lítio e o eletrólito resulta no espessamento do filme SEI. Por um lado, a impedância do filme SEI da bateria é aumentada e, por outro lado, a redução de íons de lítio ativos disponíveis no eletrodo negativo pode levar à degradação irreversível da capacidade da bateria de energia de íons de lítio.
A baixa temperatura, a taxa de reação eletroquímica da bateria de íon de lítio diminui e a resistência interna da transferência de carga aumenta significativamente. Comparado com a resistência interna ôhmica eletroquímica e a impedância do filme SEI, o efeito do controle de temperatura no processo de reação eletroquímica da bateria é mais óbvio, e a resistência interna de transferência de carga aumenta exponencialmente com a diminuição da temperatura. A principal razão para a deterioração do desempenho de energia da bateria de energia de íons.
A redução do coeficiente de difusão em fase sólida de íons de lítio no ânodo de grafite também é um dos principais fatores que levam à deterioração do desempenho de baixa temperatura das baterias de íon de lítio. A redução do coeficiente de difusão em fase sólida de íons de lítio no ânodo de grafite em baixas temperaturas é a principal etapa de controle de taxa que leva à deterioração das características de capacidade das baterias de energia de íons de lítio.
Quando a bateria é carregada em baixa temperatura, o pequeno coeficiente de difusão dificultará o processo de difusão dos íons de lítio no grafite do eletrodo negativo, o que facilmente causará “deposição de lítio” na superfície das partículas do eletrodo negativo, causando danos permanentes ao a bateria.
Características de descarga de baixa temperatura de baterias de íon de lítio
Pegue a bateria de energia de íon de lítio do sistema de níquel-cobalto-manganês tipo 18650, bateria de energia de íon de lítio do sistema de fosfato de ferro de lítio, bateria de energia de íon de lítio do sistema de níquel-cobalto-manganês como exemplo, teste de descarga primeiro. No ambiente de 25 ℃, as três baterias de energia de íons de lítio são carregadas com corrente constante e tensão constante para fazer o SOC (potência restante) atingir 100% e, em seguida, permanecer por 4 horas em diferentes temperaturas e aguardar a temperatura da bateria para atingir a temperatura definida. Em seguida, execute o teste correspondente.
Para estudar as características de descarga da bateria em baixa temperatura, é possível usar baterias de energia de íons de lítio com especificações diferentes em dois sistemas de materiais diferentes para descarregar tensões em diferentes temperaturas e taxas diferentes (1C, 2C) e usar três baterias de energia de íons de lítio com características diferentes. A capacidade nominal e a taxa de corrente são usadas para analisar uniformemente as características das baterias de energia de íons de lítio, conforme mostrado na Figura 3.
Com a diminuição da temperatura ambiente, a tensão de descarga da bateria mostra uma rápida tendência de queda e as características de energia da bateria de íon-lítio se deterioram. Com a diminuição da temperatura, o tempo para a bateria de íon-lítio atingir a tensão de corte é reduzido, indicando que sua capacidade disponível está seriamente atenuada. .
Em comparação, pode-se descobrir que, na mesma temperatura, a taxa de decaimento da bateria de íon de lítio do sistema de fosfato de ferro de lítio é maior do que a da bateria de íon de lítio do sistema de níquel-cobalto-manganês 18650, que é determinada por as propriedades do material. A condutividade inerente de baixa temperatura dos materiais de fosfato de ferro e lítio é pobre, resultando em séria atenuação das características de baixa temperatura das baterias de energia de íon-lítio.
Portanto, quanto menor a temperatura, maior a queda na tensão terminal inicial da bateria de energia de íons de lítio. À medida que a temperatura diminui, a impedância da bateria de íon de lítio aumenta, resultando em um aumento na pressão parcial da resistência interna da bateria, de modo que a tensão do terminal da bateria diminui.
No estágio inicial de descarga de baixa temperatura da bateria de íon de lítio, a tensão do terminal se recuperou, o que é causado principalmente pela geração de calor da bateria de íon de lítio durante o processo de descarga.
Para entender completamente a influência da temperatura e da taxa de descarga nas características de potência e capacidade das baterias de íon de lítio, a relação de capacidade disponível de duas baterias de íon de lítio em diferentes taxas de descarga e temperaturas pode ser analisada, conforme mostrado na Figura 6.
À medida que a temperatura diminui, a capacidade disponível da bateria de iões de lítio diminui. A capacidade da bateria de íon de lítio cairá significativamente à medida que a temperatura ambiente diminuir. Quando a bateria de energia de íon de lítio do sistema de níquel-cobalto-manganês do tipo 18650 decaiu para cerca de 50% da capacidade de descarga a 25 ℃ a taxa de descarga de 0.5 C e capacidade de descarga de taxa de 1 C a -30 ℃, a capacidade de descarga de corrente constante de 2 C é 0.
De acordo com a comparação de dados, na mesma temperatura, a taxa de decaimento da bateria de energia de íon de lítio do sistema de fosfato de ferro de lítio é maior do que a da bateria de energia de íon de lítio do sistema de níquel cobalto manganês 18650, que é devido à baixa condutividade de baixa temperatura do o material de fosfato de ferro de lítio.
A tensão inicial do terminal de descarga das baterias de íon de lítio não é afetada apenas pela temperatura, mas também pela taxa de descarga. À medida que a temperatura cai, a tensão do terminal de descarga inicial da bateria de íon de lítio continua a diminuir, principalmente porque a temperatura diminui, a resistência interna da bateria de íon de lítio aumenta e a tensão interna da bateria de íon de lítio aumenta.
Além disso, à medida que a temperatura diminui, a diferença na tensão terminal inicial da bateria de íon de lítio em taxas diferentes também é mais óbvia. Temperatura -30℃, a tensão inicial de descarga de taxa de 0.5C é apenas 6.8% menor que a tensão inicial de 25℃, a tensão inicial de descarga de taxa de 1C é quase 12.7% menor que a tensão inicial de 25℃, taxa de 2C A inicial a tensão de descarga caiu quase 22.8% em comparação com a tensão de descarga inicial em 25 ℃.
Em baixa temperatura e descarga de alta taxa, a tensão de saída da bateria de energia de íons de lítio também é seriamente atenuada, o que afeta a saída de energia da bateria de energia de íons de lítio. Em condições de operação do veículo, afeta principalmente as características de aceleração e subida do veículo.
Características de impedância eletroquímica de baixa temperatura de baterias de íon de lítio
A espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), também conhecida como espectroscopia de impedância CA, é medir a mudança com a frequência aplicando um sinal CA senoidal de pequena amplitude (tensão ou corrente) ao sistema eletroquímico em uma determinada faixa de frequência. Um método para a relação entre a tensão CA e os sinais atuais.
Este método pode obter mais informações sobre a estrutura e cinética da interface do eletrodo do que outros métodos eletroquímicos convencionais, por isso é amplamente utilizado para estudar o mecanismo interno de baterias de íons de lítio.
A impedância ôhmica de alta frequência aumenta com a diminuição da temperatura; a impedância de alta e média frequência se expande gradualmente com a diminuição da temperatura. Portanto, a resistência do filme da interface sólido-líquido e a resistência interna da transferência de carga aumentarão.
Em baixa temperatura, para a bateria de energia de íon de lítio do sistema de níquel-cobalto-manganês do tipo 18650, a difusão desaparecerá e, a -20 ℃, a impedância aumentará para várias vezes a temperatura ambiente.
Portanto, a região de ultra-alta frequência (acima de 10 kHz) representa o transporte de elétrons através das partículas do material ativo e o transporte de íons de lítio no eletrólito entre as partículas do material ativo, que é representado como a interseção do espectro e o eixo real no espectro EIS, definido como a resistência interna ôhmica eletroquímica R0.
A difusão e migração de íons de lítio através do filme SEI na superfície das partículas do material ativo na região de alta frequência aparece como um arco semicircular no mapa de impedância. Este processo é substituído equivalentemente pela estrutura paralela RSEI/CSEI no modelo de impedância.
O arco de impedância relacionado à reação eletroquímica na região de frequência intermediária inclui dois processos de migração de carga e carga e descarga elétrica de dupla camada. O processo de transferência de carga ocorre na interface mútua do eletrodo de fase sólida e do eletrólito. Este processo segue a lei de Faraday, por isso também é chamado de processo de Faraday.
No processo de migração de carga, a velocidade de transferência de carga é refletida pela corrente de Faraday. Geralmente, o processo de migração de carga pode ser equivalente a uma resistência pura, que é chamada de resistência interna de migração de carga ou resistência de Faraday, e é representada por R ct.
O processo de carga-descarga da dupla camada elétrica também é chamado de processo de Faraday. Esse processo também ocorre na junção do eletrodo de fase sólida com a interface eletrólito de fase líquida, formando uma estrutura física semelhante à capacitância, formando assim a dupla camada elétrica de interface do eletrodo. Capacitância Cdl representa.
A região de baixa frequência se deve principalmente ao processo de difusão de íons de lítio nas partículas do material ativo. Quando a reação eletroquímica ocorre, a corrente faradaica flui através da interface entre o eletrodo de fase sólida e o eletrólito, resultando no consumo de reagentes e acúmulo de produtos na interface, resultando em uma diferença de concentração entre as fases sólida e líquida.
De acordo com a teoria do eletrodo poroso, o eletrodo de fase sólida é assumido como partículas esféricas com uma certa porosidade. À medida que a reação continua, o acúmulo de substâncias dentro das partículas aumentará, o gradiente de concentração das substâncias dentro e fora da interface diminuirá e a taxa de difusão das substâncias diminuirá. lento.
Quando a substância no eletrodo se difunde lentamente para um estado estacionário, ocorre a polarização de concentração estável, ou seja, o fenômeno de polarização causado pela diferença na distribuição da concentração de íons de lítio dentro da bateria.
Geralmente, a impedância de difusão semi-infinita da impedância de Weber ZW pode ser usada para representar o processo de difusão. Considerando os fatores geométricos da superfície do eletrodo e a existência de adsorção, também é representado por um elemento de fase constante, que é representado pelo símbolo ZD.
Como a faixa de teste do EIS é de 100 kHz – 0.01 Hz, nenhuma alteração na estrutura cristalina das partículas de material ativo na região de frequência muito baixa ou no semicírculo associado à formação de novas fases pode ser observada no espectro EIS. Conforme mostrado na Figura 9, com o auxílio do software de análise de espectro de impedância AC ZView, os parâmetros de impedância da bateria R0, RSEI e Rct são ajustados e identificados, e os três valores de impedância podem ser calculados e obtidos de acordo com a horizontal eixo do espectro de impedância.
A impedância aumentará com a diminuição da temperatura, entre os quais R0 e RSEI mudam de forma relativamente suave com a temperatura, e o valor da impedância aumenta menos com a diminuição da temperatura. Mas Rct aumentará substancialmente com a diminuição da temperatura. Como R0 e RSEI são afetados principalmente pela condutividade iônica no eletrólito, a lei da mudança de temperatura é semelhante à da condutividade iônica do eletrólito com a temperatura.
Em geral, para resolver os problemas dos veículos de nova energia que operam em ambientes de baixa temperatura, devemos começar com o desempenho das baterias de íon-lítio.
Visando os fatores desfavoráveis de baixa temperatura da bateria de lítio, a equipe de engenheiros de bateria de lítio da Keheng desenvolveu a função de autoaquecimento da bateria em baixa temperatura e ambiente extremamente frio, o que pode efetivamente resolver esse defeito da bateria de lítio. O auto-aquecimento é uma função opcional da bateria de ciclo profundo de fosfato de ferro de lítio. Todas as baterias de fosfato de ferro de lítio Keheng podem ser equipadas com função de autoaquecimento, bem como função Bluetooth e função de monitoramento de aplicativo de telefone móvel do sistema BMS.
Bateria de autoaquecimento Keheng
100AH 12V Ativação de Aquecimento de Baixa Temperatura
A gama de produtos da Keheng New Energy
BATERIAS DE CICLO PROFUNDO com BMS (bateria de lítio lifepo4)
Bateria LiFePO24 de baixa temperatura 60V 4AH de ciclo profundo
