На характеристики литий-ионных аккумуляторов существенно влияет температура окружающей среды, особенно в условиях низких температур, где доступная энергия и мощность серьезно снижаются, а длительное использование в условиях низких температур ускоряет старение литий-ионных аккумуляторов. батареи и сократить срок их службы.
С быстрым развитием отрасли транспортных средств, использующих новые источники энергии, начали проявляться некоторые из ее потенциальных проблем.
Например, когда электромобиль работает в условиях низкой температуры, происходит отказ питания его основных компонентов, таких как литий-ионный аккумулятор и двигатель.
Понятно, что дальность пробега и производительность зарядки и разрядки чисто электрических транспортных средств, таких как модели Tesla, Nissan Leaf, Chevrolet Volt и серии BAIC New Energy EV, серьезно ухудшаются из-за низких температур окружающей среды.
При продвижении электромобилей запас хода, время зарядки и безопасность использования в основном ограничиваются характеристиками литий-ионных силовых аккумуляторов.
На характеристики литий-ионных аккумуляторов существенно влияет температура окружающей среды, особенно в условиях низких температур, где доступная энергия и мощность серьезно снижаются, а длительное использование в условиях низких температур ускоряет старение литий-ионных аккумуляторов. ионные аккумуляторы и сократить срок их службы.
Емкость и рабочее напряжение обычно используемой литий-ионной аккумуляторной батареи для электромобилей будет значительно снижаться при -10°C, а производительность будет еще хуже при -20°C, что показывает, что ее доступная разрядная емкость падает. резко, и он может поддерживать только 30% удельной емкости при комнатной температуре. о.
Также трудно заряжать литий-ионные аккумуляторы в условиях низкой температуры, а металлический литий легко осаждается на поверхности отрицательного электрода во время зарядки. Рост литиевых дендритов пробьет сепаратор аккумулятора и вызовет внутреннее короткое замыкание в аккумуляторе, что не только приведет к необратимому повреждению аккумулятора, но и вызовет тепловой разгон аккумулятора, что значительно снижает безопасность его использования.
Итак, какие факторы ограничивают низкотемпературные характеристики ионов лития?
Характеристики зарядки литий-ионных аккумуляторов при низких температурах
Если вы хотите понять низкотемпературные характеристики литий-ионного аккумулятора, вы можете проанализировать его, проверив низкотемпературные характеристики литий-ионного аккумулятора. Чтобы проверить низкотемпературные характеристики литий-ионных аккумуляторов, можно использовать литий-ионные аккумуляторы с различными характеристиками и материалами, включая испытания на низкотемпературный разряд, зарядку и сопротивление переменному току.
Когда литий-ионный аккумулятор начинает заряжаться, напряжение на клеммах аккумулятора мгновенно возрастает, и чем ниже температура, тем выше будет начальное напряжение зарядки литий-ионного аккумулятора. При низкой температуре напряжение на клеммах растет быстрее, вскоре достигает напряжения отключения и переходит в стадию зарядки постоянным напряжением.
По мере снижения температуры время зарядки постоянным током литий-ионной аккумуляторной батареи будет сокращаться, в то время как время зарядки в фазе постоянного напряжения будет увеличиваться, а общее время зарядки также увеличится. Следовательно, при той же зарядке время зарядки литий-ионной аккумуляторной батареи будет значительно увеличено.
В различных температурных условиях результаты испытаний зарядной емкости литий-ионных аккумуляторов делятся на зарядную емкость ступени постоянного тока и зарядную емкость ступени постоянного напряжения. Для одной и той же батареи с тем же условием прекращения зарядки, когда температура падает, общий заряд литий-ионной аккумуляторной батареи имеет тенденцию к снижению.
В установленном режиме зарядки по мере снижения температуры количество электроэнергии, заряженной в ступени постоянного напряжения литий-ионной аккумуляторной батареи, будет увеличиваться. Следовательно, снижение температуры приводит к уменьшению зарядной емкости литий-ионных аккумуляторов при постоянном токе, зарядка которых в основном зависит от постоянного напряжения. Длительная зарядка на этапе постоянного напряжения продлит общее время зарядки литий-ионных аккумуляторов, снизив эффективность времени зарядки и длительной зарядки. Низкая температура и постоянное напряжение заряда также являются одной из причин ухудшения характеристик побочной реакции литий-ионных аккумуляторов.
Когда литий-ионные аккумуляторы используются при низких температурах, энергетические и мощностные характеристики серьезно ухудшаются. С макроэкономической точки зрения характеристики литий-ионных аккумуляторов при низких температурах показывают, что с понижением температуры импеданс литий-ионных аккумуляторов увеличивается, платформа напряжения разряда уменьшается, а напряжение на клеммах аккумулятора быстро падает, что приводит к в большом количестве располагаемой мощности и мощности. затухание.
В литий-ионных силовых батареях не только трудно достичь разряда с высоким током при низких температурах, но также из-за увеличения импеданса батареи напряжение зарядки быстро растет, сокращая время достижения батареей напряжения отключения защиты от зарядки, поэтому есть недостатки в виде сложной зарядки и низкой эффективности зарядки.
Микроскопически на низкотемпературные характеристики литий-ионных аккумуляторов в основном влияет низкая ионная проводимость электролита внутри аккумулятора при низкой температуре, снижение скорости электрохимической реакции электрода аккумулятора при низкой температуре, снижение проводимость пленки SEI на поверхности графитовых частиц отрицательного электрода аккумулятора при низкой температуре и низкой температуре. В условиях ограничений таких факторов, как низкий коэффициент твердофазной диффузии ионов лития в графитовом материале частиц отрицательного электрода аккумуляторной батареи.
Таким образом, производительность литий-ионных аккумуляторов при низкой температуре в первую очередь связана с электролитом аккумулятора. Растворитель электролита литий-ионной аккумуляторной батареи не только напрямую влияет на температурный диапазон ликвидуса электролита, но и непосредственно участвует в реакции формирования пленки SEI.
Электропроводность электролита снижается при низкой температуре, а осажденный металлический литий легко вступает в реакцию с электролитом из-за низкотемпературной зарядки, что приводит к дальнейшему ухудшению низкотемпературных характеристик литий-ионных аккумуляторов.
Увеличение сопротивления пленки SEI внутреннего электрода батареи при низкой температуре является еще одним фактором, ухудшающим низкотемпературные характеристики литий-ионной аккумуляторной батареи. При низкой температуре сопротивление пленки SEI внутреннего электрода батареи увеличивается, а доступная мощность литий-ионной аккумуляторной батареи уменьшается.
Во время низкотемпературной зарядки металлический литий осаждается на поверхности частиц отрицательного электрода, а реакция между металлическим литием и электролитом приводит к утолщению пленки SEI. С одной стороны, пленочный импеданс батареи SEI увеличивается, а с другой стороны, уменьшение доступных активных ионов лития в отрицательном электроде может привести к необратимому снижению емкости литий-ионной силовой батареи.
При низкой температуре скорость электрохимической реакции литий-ионной аккумуляторной батареи снижается, а внутреннее сопротивление переноса заряда значительно возрастает. По сравнению с электрохимическим омическим внутренним сопротивлением и импедансом пленки SEI влияние контроля температуры на процесс электрохимической реакции батареи более очевидно, а внутреннее сопротивление переноса заряда увеличивается экспоненциально с понижением температуры. Основная причина ухудшения энергетических показателей ионно-энергетического аккумулятора.
Снижение твердофазного коэффициента диффузии ионов лития в анодном графите также является одним из основных факторов, приводящих к ухудшению низкотемпературных характеристик литий-ионных аккумуляторов. Снижение коэффициента твердофазной диффузии ионов лития в анодном графите при низких температурах является основным скоростьрегулирующим этапом, приводящим к ухудшению емкостных характеристик литий-ионных аккумуляторов.
Когда аккумулятор заряжается при низкой температуре, малый коэффициент диффузии будет препятствовать процессу диффузии ионов лития в графите отрицательного электрода, что легко вызовет «осаждение лития» на поверхности частиц отрицательного электрода, вызывая необратимое повреждение батарея.
Характеристики низкотемпературного разряда литий-ионных аккумуляторов
Возьмем в качестве примера литий-ионную силовую батарею с никель-кобальт-марганцевой системой типа 18650, литий-ионно-железо-фосфатную силовую батарею, литий-ионную силовую батарею с никель-кобальт-марганцевой системой в качестве примера, сначала проведите испытание на разрядку. При температуре 25 ℃ три литий-ионных аккумуляторных батареи заряжаются постоянным током и постоянным напряжением, чтобы SOC (остаточная мощность) достигла 100%, а затем выдерживались в течение 4 часов при разных температурах и ждали температуры батареи. для достижения заданной температуры. Затем выполните соответствующий тест.
Чтобы изучить разрядные характеристики батареи при низкой температуре, можно использовать литий-ионные силовые батареи с разными характеристиками в двух разных системах материалов для разрядных напряжений при разных температурах и разных скоростях (1C, 2C), а также использовать три литий-ионные аккумуляторы с разными характеристиками. Номинальная емкость и скорость тока используются для единообразного анализа характеристик литий-ионных аккумуляторов, как показано на рисунке 3.
С понижением температуры окружающей среды напряжение разряда батареи имеет тенденцию к быстрому снижению, а энергетические характеристики литий-ионной аккумуляторной батареи ухудшаются. С понижением температуры время достижения литий-ионным аккумулятором напряжения отключения сокращается, что указывает на серьезное снижение его доступной емкости. .
Для сравнения можно обнаружить, что при той же температуре скорость распада литий-ионной силовой батареи железо-фосфатной системы выше, чем у литий-ионной силовой батареи никель-кобальт-марганцевой системы 18650, что определяется соотношением свойства материала. Низкотемпературная проводимость литий-железо-фосфатных материалов плохая, что приводит к серьезному ухудшению низкотемпературных характеристик литий-ионных аккумуляторов.
Следовательно, чем ниже температура, тем больше падение начального напряжения на клеммах литий-ионной аккумуляторной батареи. По мере снижения температуры импеданс литий-ионной аккумуляторной батареи увеличивается, что приводит к увеличению парциального давления внутреннего сопротивления батареи, поэтому напряжение на клеммах батареи уменьшается.
На ранней стадии низкотемпературного разряда литий-ионной силовой батареи напряжение на клеммах восстановилось, что в основном вызвано выделением тепла литий-ионной силовой батареей в процессе разрядки.
Чтобы полностью понять влияние температуры и скорости разряда на характеристики мощности и емкости литий-ионных аккумуляторов, можно проанализировать доступную емкость двух литий-ионных аккумуляторов при разных скоростях разряда и температурах, как показано на рисунке. 6.
По мере снижения температуры доступная емкость литий-ионной аккумуляторной батареи уменьшается. Емкость литий-ионной аккумуляторной батареи значительно снижается при понижении температуры окружающей среды. Когда никель-кобальт-марганцевая литий-ионная силовая батарея типа 18650 распалась примерно до 50% разрядной емкости при 25 ℃ при скорости разряда 0.5 ° C и скорости разряда 1 C при -30 ℃, разрядная емкость постоянного тока 2 C составляет 0.
Согласно сравнению данных, при одинаковой температуре скорость распада литий-ионной силовой батареи с литий-железо-фосфатной системой выше, чем у литий-ионной силовой батареи с никель-кобальт-марганцевой системой 18650, что связано с плохой проводимостью при низких температурах. литий-железо-фосфатный материал.
Начальное напряжение разряда литий-ионных аккумуляторов зависит не только от температуры, но и от скорости разряда. По мере снижения температуры начальное напряжение на клеммах разряда литий-ионной силовой батареи продолжает уменьшаться, в основном из-за снижения температуры, увеличения внутреннего сопротивления литий-ионной силовой батареи и внутреннего напряжения литий-ионной силовой батареи. увеличивается.
Кроме того, по мере снижения температуры разница в начальном напряжении на клеммах литий-ионной аккумуляторной батареи при разных скоростях также становится более очевидной. Температура -30 ℃, начальное напряжение разряда 0.5°C всего на 6.8% ниже начального напряжения при 25°C, начальное напряжение разряда 1°C почти на 12.7% ниже начального напряжения 25°C, скорость 2C. напряжение разряда упало почти на 22.8% по сравнению с начальным напряжением разряда при 25 ℃.
При низкой температуре и высокой скорости разряда выходное напряжение литий-ионной аккумуляторной батареи также серьезно снижается, что влияет на выходную мощность литий-ионной аккумуляторной батареи. В условиях эксплуатации транспортного средства это в основном влияет на характеристики ускорения и набора высоты транспортного средства.
Низкотемпературные характеристики электрохимического импеданса литий-ионных аккумуляторов
Спектроскопия электрохимического импеданса (EIS), также известная как спектроскопия импеданса переменного тока, предназначена для измерения изменения частоты путем подачи синусоидального сигнала переменного тока малой амплитуды (напряжение или ток) на электрохимическую систему в определенном диапазоне частот. Метод отношения переменного напряжения к сигналам тока.
Этот метод может получить больше информации о структуре и кинетике интерфейса электродов, чем другие традиционные электрохимические методы, поэтому он широко используется для изучения внутреннего механизма литий-ионных аккумуляторов.
Высокочастотный омический импеданс увеличивается с понижением температуры; высокочастотный и среднечастотный импеданс постепенно расширяется с понижением температуры. Следовательно, пленочное сопротивление границы твердое тело-жидкость и внутреннее сопротивление переноса заряда будут увеличиваться.
При низкой температуре для литий-ионной силовой батареи никель-кобальт-марганцевой системы типа 18650 диффузия исчезнет, а при -20 ℃ импеданс увеличится в несколько раз по сравнению с комнатной температурой.
Поэтому область сверхвысоких частот (выше 10 кГц) представляет собой транспорт электронов через частицы активного материала и транспорт ионов лития в электролите между частицами активного материала, который представлен как пересечение спектр и действительная ось на спектре ЭИС, определяемая как электрохимическое омическое внутреннее сопротивление R0.
Диффузия и миграция ионов лития через пленку SEI на поверхности частиц активного материала в высокочастотной области проявляется в виде полукруглой дуги на карте импеданса. Этот процесс эквивалентно заменен параллельной структурой RSEI/CSEI в модели импеданса.
Импедансная дуга, связанная с электрохимической реакцией в области промежуточных частот, включает два процесса: миграцию заряда и заряд-разряд двойного электрического слоя. Процесс переноса заряда происходит на границе раздела твердофазного электрода и электролита. Этот процесс подчиняется закону Фарадея, поэтому его также называют процессом Фарадея.
В процессе миграции заряда скорость переноса заряда отражается током Фарадея. Как правило, процесс миграции заряда может быть эквивалентен чистому сопротивлению, которое называется внутренним сопротивлением миграции заряда или сопротивлением Фарадея и обозначается Rct.
Процесс заряда-разряда двойного электрического слоя также называют процессом Фарадея. Этот процесс также происходит на стыке твердофазного электрода и жидкофазного интерфейса электролита, образуя физическую структуру, подобную емкости, тем самым формируя интерфейс двойного электрического слоя электрода. Емкость Cdl представляет.
Область низких частот в основном обусловлена процессом диффузии ионов лития в частицах активного материала. При протекании электрохимической реакции через границу между твердофазным электродом и электролитом протекает фарадеевский ток, что приводит к расходованию реагентов и накоплению продуктов на границе раздела, что приводит к разности концентраций между твердой и жидкой фазами.
Согласно теории пористого электрода твердофазным электродом считаются сферические частицы с определенной пористостью. По мере продолжения реакции накопление веществ внутри частиц будет увеличиваться, градиент концентрации веществ внутри и снаружи границы раздела будет уменьшаться, а скорость диффузии веществ будет уменьшаться. медленный.
Когда вещество на электроде медленно диффундирует в стационарное состояние, возникает стабильная концентрационная поляризация, то есть явление поляризации, вызванное различием в распределении концентрации ионов лития внутри батареи.
Как правило, полубесконечный диффузионный импеданс Вебера ZW можно использовать для представления процесса диффузии. С учетом геометрических факторов поверхности электрода и наличия адсорбции он также представлен элементом постоянной фазы, который обозначается символом ZD.
Поскольку тестовый диапазон ЭИС составляет 100 кГц – 0.01 Гц, в спектре ЭИС не наблюдается изменений кристаллической структуры частиц активного материала в области очень низких частот или полуокружности, связанной с образованием новых фаз. Как показано на рис. 9, с помощью программного обеспечения для анализа спектра импеданса переменного тока ZView подбираются и идентифицируются параметры импеданса батареи R0, RSEI и Rct, и три значения импеданса могут быть рассчитаны и получены в соответствии с горизонтальной ось спектра импеданса.
Импеданс будет увеличиваться с понижением температуры, среди которых R0 и RSEI изменяются относительно плавно с температурой, а значение импеданса меньше увеличивается с понижением температуры. Но Rct будет существенно увеличиваться с понижением температуры. Поскольку на R0 и RSEI в основном влияет ионная проводимость электролита, закон изменения температуры подобен закону изменения ионной проводимости электролита с температурой.
В общем, чтобы решить проблемы новых энергетических транспортных средств, работающих в условиях низких температур, мы должны начать с производительности литий-ионных аккумуляторов.
Стремясь устранить неблагоприятные факторы низкой температуры литиевой батареи, команда инженеров по литиевым батареям Keheng разработала функцию самонагрева батареи при низкой температуре и чрезвычайно холодной среде, которая может эффективно устранить этот дефект литиевой батареи. Самонагрев является дополнительной функцией литий-железо-фосфатной батареи глубокого цикла. Все литий-железо-фосфатные батареи Keheng могут быть оснащены функцией самонагрева, а также функцией Bluetooth и функцией мониторинга мобильного телефона системы BMS.
Самонагревающаяся батарея Keheng
100AH 12V Включение низкотемпературного нагрева
Ассортимент продукции Keheng New Energy
АККУМУЛЯТОРЫ ГЛУБОКОГО ЦИКЛА С BMS (литиевая батарея lifepo4)
