Ang materyal ng cathode ay isang mahalagang bahagi ng mga baterya ng lithium-ion at dapat matugunan ang mga kinakailangan ng mataas na kapasidad, malakas na katatagan at mababang toxicity.
Kung ikukumpara sa iba pang mga materyales ng cathode, ang mga materyales ng LiFePO4 elektrod ay may maraming mga pakinabang, tulad ng mas mataas na teoretikal na tiyak na kapasidad, matatag na boltahe sa pagtatrabaho, matatag na istraktura, mahusay na cyclability, mababang halaga ng mga hilaw na materyales at pagkamagiliw sa kapaligiran.
Samakatuwid, ang LiFePO4 ay isang perpektong materyal ng cathode at napili bilang isa sa mga pangunahing materyales ng cathode para sa mga baterya ng kuryente.
Maraming mga mananaliksik ang nag-aral ng mekanismo ng pinabilis na pagkasira ng pagganap ng mga LIB sa mababang temperatura, at pinaniniwalaan na ang pagtitiwalag ng aktibong lithium at ang catalytically grown solid-state electrolyte interface (SEI) nito ay humantong sa pagbaba ng ionic conductivity at pagbaba ng electron mobility sa electrolyte. drop, na humahantong sa isang pagbawas sa kapasidad at kapangyarihan ng mga LIB at kung minsan kahit na pagkabigo sa pagganap ng baterya.
Ang mababang temperatura ng kapaligiran sa pagtatrabaho ng mga LIB ay pangunahing nangyayari sa taglamig at mataas na latitude at mataas na altitude na lugar, kung saan ang mababang temperatura na kapaligiran ay makakaapekto sa pagganap at buhay ng mga LIB, at maging sanhi ng lubhang malubhang problema sa kaligtasan. Apektado ng mababang temperatura, ang rate ng lithium intercalation sa graphite ay nabawasan, at ang metal lithium ay madaling namuo sa ibabaw ng negatibong elektrod upang bumuo ng lithium dendrites, na tumutusok sa diaphragm at nagiging sanhi ng panloob na short circuit sa baterya.
Samakatuwid, ang mga pamamaraan upang mapabuti ang pagganap ng mababang temperatura ng mga LIB ay may malaking kahalagahan para sa pagsulong ng paggamit ng mga de-koryenteng sasakyan sa mga rehiyon ng alpine.
Binubuod ng papel na ito ang mga pamamaraan upang mapabuti ang pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng LiFePO4 mula sa sumusunod na apat na aspeto
1) Ang kasalukuyang pulso ay bumubuo ng init;
2) Gumamit ng mga additives ng electrolyte upang maghanda ng mga de-kalidad na pelikulang SEI;
3) Interface conductivity ng surface coating na binago ang LiFePO4 material;
4) Bulk conductivity ng ion-doped modified LiFePO4 material.
Pulse kasalukuyang henerasyon ng init
Sa panahon ng proseso ng pag-charge ng mga LIB na mabilis na pinainit ng pulse current, ang paggalaw at polarization ng mga ions sa electrolyte ay magtataguyod ng panloob na henerasyon ng init ng mga LIB. Ang mekanismo ng pagbuo ng init na ito ay maaaring epektibong magamit upang mapabuti ang pagganap ng mga LIB sa mababang temperatura. Ang kasalukuyang pulso ay tumutukoy sa isang kasalukuyang na ang direksyon ay hindi nagbabago at ang kasalukuyang intensity o boltahe ay nagbabago nang pana-panahon sa paglipas ng panahon. Upang mabilis at ligtas na taasan ang temperatura ng baterya sa mababang temperatura, kung paano pinapainit ng pulsed current ang mga LIB ay theoretically simulate, at ang mga resulta ng simulation ay na-verify ng mga eksperimentong pagsubok sa mga komersyal na LIB. Ang pagkakaiba sa pagbuo ng init sa pagitan ng tuluy-tuloy na pag-charge at pulsed charging ay ipinapakita sa Figure 1. Gaya ng makikita mula sa Figure 1, ang microsecond pulse time ay maaaring magsulong ng mas maraming heat generation sa lithium battery.
Ang materyal ng cathode ay isang mahalagang bahagi ng mga baterya ng lithium-ion at dapat matugunan ang mga kinakailangan ng mataas na kapasidad, malakas na katatagan at mababang toxicity.
Kung ikukumpara sa iba pang mga materyales ng cathode, ang mga materyales ng LiFePO4 elektrod ay may maraming mga pakinabang, tulad ng mas mataas na teoretikal na tiyak na kapasidad, matatag na boltahe sa pagtatrabaho, matatag na istraktura, mahusay na cyclability, mababang halaga ng mga hilaw na materyales at pagkamagiliw sa kapaligiran.
Samakatuwid, ang LiFePO4 ay isang perpektong materyal ng cathode at napili bilang isa sa mga pangunahing materyales ng cathode para sa mga baterya ng kuryente.
Maraming mga mananaliksik ang nag-aral ng mekanismo ng pinabilis na pagkasira ng pagganap ng mga LIB sa mababang temperatura, at pinaniniwalaan na ang pagtitiwalag ng aktibong lithium at ang catalytically grown solid-state electrolyte interface (SEI) nito ay humantong sa pagbaba ng ionic conductivity at pagbaba ng electron mobility sa electrolyte. drop, na humahantong sa isang pagbawas sa kapasidad at kapangyarihan ng mga LIB at kung minsan kahit na pagkabigo sa pagganap ng baterya.
Ang mababang temperatura ng kapaligiran sa pagtatrabaho ng mga LIB ay pangunahing nangyayari sa taglamig at mataas na latitude at mataas na altitude na lugar, kung saan ang mababang temperatura na kapaligiran ay makakaapekto sa pagganap at buhay ng mga LIB, at maging sanhi ng lubhang malubhang problema sa kaligtasan. Apektado ng mababang temperatura, ang rate ng lithium intercalation sa graphite ay nabawasan, at ang metal lithium ay madaling namuo sa ibabaw ng negatibong elektrod upang bumuo ng lithium dendrites, na tumutusok sa diaphragm at nagiging sanhi ng panloob na short circuit sa baterya.
Samakatuwid, ang mga pamamaraan upang mapabuti ang pagganap ng mababang temperatura ng mga LIB ay may malaking kahalagahan para sa pagsulong ng paggamit ng mga de-koryenteng sasakyan sa mga rehiyon ng alpine.
Binubuod ng papel na ito ang mga pamamaraan upang mapabuti ang pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng LiFePO4 mula sa sumusunod na apat na aspeto:
1) Ang kasalukuyang pulso ay bumubuo ng init;
2) Gumamit ng mga additives ng electrolyte upang maghanda ng mga de-kalidad na pelikulang SEI;
3) Interface conductivity ng surface coating na binago ang LiFePO4 material;
4) Bulk conductivity ng ion-doped modified LiFePO4 material.
Pulse kasalukuyang henerasyon ng init
Sa panahon ng proseso ng pag-charge ng mga LIB na mabilis na pinainit ng pulse current, ang paggalaw at polarization ng mga ions sa electrolyte ay magtataguyod ng panloob na henerasyon ng init ng mga LIB. Ang mekanismo ng pagbuo ng init na ito ay maaaring epektibong magamit upang mapabuti ang pagganap ng mga LIB sa mababang temperatura. Ang kasalukuyang pulso ay tumutukoy sa isang kasalukuyang na ang direksyon ay hindi nagbabago at ang kasalukuyang intensity o boltahe ay nagbabago nang pana-panahon sa paglipas ng panahon. Upang mabilis at ligtas na taasan ang temperatura ng baterya sa mababang temperatura, kung paano pinapainit ng pulsed current ang mga LIB ay theoretically simulate, at ang mga resulta ng simulation ay na-verify ng mga eksperimentong pagsubok sa mga komersyal na LIB. Ang pagkakaiba sa pagbuo ng init sa pagitan ng tuluy-tuloy na pag-charge at pulsed charging ay ipinapakita sa Figure 1. Gaya ng makikita mula sa Figure 1, ang microsecond pulse time ay maaaring magsulong ng mas maraming heat generation sa lithium battery.
Sa figure sa itaas, Zhao et al. pinag-aralan ang excitation effect ng pulse current sa LiFePO4/MCNB na mga baterya sa pamamagitan ng init na nabuo sa pulse at tuloy-tuloy na charging mode. Kung ikukumpara sa mode, ang buong oras ng pag-charge ay nababawasan ng 36 min (23.4%), at ang kapasidad ay tumaas ng 7.1% sa parehong rate ng paglabas. Samakatuwid, ang charging mode na ito ay kapaki-pakinabang sa mabilis na pag-charge ng mga mababang-temperatura na LiFePO4 na baterya.
Ang impluwensya ng paraan ng pag-init ng kasalukuyang pulso sa mababang temperatura ng buhay ng baterya (kalagayan ng kalusugan) ng LiFePO4 power lithium-ion na baterya ay pinag-aralan. Pinag-aralan nila ang impluwensya ng kasalukuyang dalas ng pulso, kasalukuyang intensity at saklaw ng boltahe sa temperatura ng baterya, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba. Ang mataas na kasalukuyang intensity, mas mababang frequency at mas malawak na hanay ng boltahe ay nagpapahusay sa akumulasyon ng init at pagtaas ng temperatura ng mga LIB. Bilang karagdagan, pagkatapos ng 240 na mga cycle ng pag-init (bawat cycle ay katumbas ng 1800 s ng pulsed heating sa -20°C), sinuri nila ang kalusugan ng mga LIB pagkatapos ng pulsed current heating sa pamamagitan ng pag-aaral ng cell capacity retention at electrochemical impedance, at sinuri ng SEM at EDS Ang mga pagbabago sa ibabaw ng morpolohiya ng negatibong elektrod ng baterya ay pinag-aralan, at ang mga resulta ay nagpakita na ang kasalukuyang pag-init ng pulso ay hindi nagpapataas ng pagtitiwalag ng mga lithium ions sa ibabaw ng negatibong elektrod, kaya ang pag-init ng pulso ay hindi magpapalala sa panganib. ng pagkabulok ng kapasidad at paglaki ng lithium dendrite na dulot ng lithium deposition.
Pagbabago ng electrolyte ng mga lamad ng SEI upang mabawasan ang resistensya ng paglilipat ng singil sa interface ng electrolyte-electrode
Ang pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng lithium-ion ay malapit na nauugnay sa mobility ng ion sa baterya. Ang epekto ng carbonate-based electrolyte (1 mol/L LiPF6/EC+DMC+DEC+EMC, na may volume ratio na 11:3) sa mababang temperatura na pagganap ng LiFePO4 commercial lithium batteries ay pinag-aralan. Kapag ang operating temperatura ay mas mababa sa -20 °C, ang electrochemical performance ng baterya ay bumababa nang malaki, at ang electrochemical impedance spectroscopy (EIS) na mga pagsubok ay nagpapakita na ang pagtaas ng charge transfer resistance at ang pagbaba sa lithium ion diffusion capacity ay ang mga pangunahing salik para sa ang pagkasira ng pagganap ng baterya. Samakatuwid, inaasahang mapapabuti ang pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng LiFePO4 sa pamamagitan ng pagpapalit ng electrolyte upang mapahusay ang reaktibiti ng interface ng electrolyte-electrode.
Sa itaas (a) EIS ng LiFePO4 electrode sa iba't ibang temperatura; (b) Katumbas na modelo ng circuit na nilagyan ng LiFePO4 EIS
Upang makahanap ng isang electrolyte system na maaaring epektibong mapabuti ang mababang temperatura na pagganap ng electrochemical ng mga baterya ng LiFePO4, Zhang et al. sinubukang magdagdag ng LiBF4-LiBOB mixed salts sa electrolyte upang mapabuti ang mababang temperatura ng pagbibisikleta ng mga baterya ng LiFePO4. Kapansin-pansin, ang na-optimize na pagganap ay nakamit lamang kapag ang molar fraction ng LiBOB sa halo-halong asin ay mas mababa sa 10%. Zhou et al. dissolved LiPF4(C2O4)(LiFOP) sa propylene carbonate (PC) bilang electrolyte para sa LiFePO4/C na mga baterya at inihambing ito sa karaniwang ginagamit na LiPF6-EC electrolyte system. Napag-alaman na ang unang cycle ng discharge capacity ng LIBs ay makabuluhang nabawasan kapag ang baterya ay na-cycle sa mababang temperatura; samantala, ang data ng EIS ay nagpahiwatig na ang LiFOP/PC electrolyte ay nagpabuti sa mababang temperatura ng pagbibisikleta ng mga LIB sa pamamagitan ng pagbabawas ng panloob na impedance ng mga LIB.
Li et al. pinag-aralan ang electrochemical performance ng dalawang lithium difluoro(oxalate)borate (LiODFB) electrolyte system: LiODFB-DMS at LiODFB-SL/DMS, at inihambing ang electrochemical performance sa karaniwang ginagamit na LiPF6-EC/DMC electrolyte, at nalaman na LiODFB-SL Ang /DMS at LiODFB-SL/DES electrolytes ay maaaring mapabuti ang cycling stability at rate ng kakayahan ng mga LiFePO4 na baterya sa mababang temperatura. Natuklasan ng pag-aaral ng EIS na ang LiODFB electrolyte ay nakakatulong sa pagbuo ng SEI film na may mas mababang interfacial impedance, na nagtataguyod ng diffusion ng mga ions at ang paggalaw ng mga singil, at sa gayon ay pinapabuti ang mababang temperatura ng pagbibisikleta na pagganap ng mga baterya ng LiFePO4. Samakatuwid, ang isang angkop na komposisyon ng electrolyte ay kapaki-pakinabang upang mabawasan ang paglaban sa paglipat ng singil at dagdagan ang rate ng pagsasabog ng mga lithium ions sa interface ng materyal ng elektrod, sa gayon ay epektibong nagpapabuti sa pagganap ng mababang temperatura ng mga LIB.
Ang mga electrolyte additives ay isa rin sa mga epektibong paraan upang makontrol ang komposisyon at istraktura ng mga pelikulang SEI, sa gayon ay nagpapabuti sa pagganap ng mga LIB. Liao et al. pinag-aralan ang epekto ng FEC sa kapasidad ng paglabas at pagganap ng rate ng mga baterya ng LiFePO4 sa mababang temperatura. Nalaman ng pag-aaral na pagkatapos magdagdag ng 2% FEC sa electrolyte, ang mga baterya ng LiFePO4 ay nagpakita ng mas mataas na kapasidad sa paglabas at pagganap ng rate sa mababang temperatura. Ipinakita ng SEM at XPS ang pagbuo ng SEI, at ipinakita ng mga resulta ng EIS na ang pagdaragdag ng FEC sa electrolyte ay maaaring epektibong mabawasan ang impedance ng mga baterya ng LiFePO4 sa mababang temperatura, kaya ang pagpapabuti ng pagganap ng baterya ay naiugnay sa pagtaas ng ionic conductivity ng SEI film at ang polariseysyon ng LiFePO4 electrode. bawasan. Wu et al. gumamit ng XPS upang pag-aralan ang SEI film at higit pang pinag-aralan ang kaugnay na mekanismo. Natagpuan nila na kapag ang FEC ay lumahok sa pagbuo ng interface film, ang agnas ng LiPF6 at carbonate solvent ay humina, at ang nilalaman ng LixPOyFz at carbonate na mga sangkap na ginawa ng solvent decomposition ay nabawasan. Sa gayon, ang SEI film na may mababang resistensya at siksik na istraktura ay nabuo sa ibabaw ng LiFePO4. Tulad ng ipinapakita sa Fig. 4, pagkatapos idagdag ang FEC, ang CV curves ng LiFePO4 ay nagpapakita na ang mga taluktok ng oksihenasyon/pagbawas ay magkakalapit, na nagpapahiwatig na ang pagdaragdag ng FEC ay maaaring mabawasan ang polariseysyon ng LiFePO4 electrode. Samakatuwid, ang binagong SEI ay nagpo-promote ng paglipat ng mga lithium ions sa electrode/electrolyte interface, at sa gayon ay pinapahusay ang electrochemical performance ng LiFePO4 electrodes.
Ang figure sa itaas ay nagpapakita ng cyclic voltammograms ng LiFePO4 cells sa mga electrolytes na may volume fraction na 0% at 10% FEC sa -20 °C
Bilang karagdagan, natuklasan din ng pag-aaral na ang pagdaragdag ng butyl sultone (BS) sa electrolyte ay may katulad na epekto, iyon ay, upang bumuo ng isang SEI film na may mas manipis na istraktura at mas mababang impedance, at mapabuti ang migration rate ng mga lithium ions kapag pumasa. sa pamamagitan ng SEI film. Samakatuwid, ang BS Ang pagdaragdag ng LiFePO4 ay makabuluhang nagpapabuti sa kapasidad at rate ng pagganap ng mga baterya ng LiFePO4 sa mababang temperatura.
Surface coating na may conductive layer para mabawasan ang surface resistance ng LiFePO4 material
Ang isa sa mga mahahalagang dahilan para sa pagkasira ng pagganap ng mga baterya ng lithium sa mababang temperatura na kapaligiran ay ang pagtaas ng impedance sa interface ng elektrod at ang pagbaba ng rate ng pagsasabog ng ion. Ang LiFePO4 surface coating conductive layer ay maaaring epektibong mabawasan ang contact resistance sa pagitan ng mga electrode materials, at sa gayon ay mapapabuti ang diffusion rate ng mga ions sa loob at labas ng LiFePO4 sa mababang temperatura. Tulad ng ipinapakita sa Fig. 5, Wu et al. gumamit ng dalawang carbonaceous na materyales (amorphous carbon at carbon nanotubes) upang i-coat ang LiFePO4 (LFP@C/CNT), at ang binagong LFP@C/CNT ay may mahusay na pagganap sa mababang temperatura. Ang rate ng pagpapanatili ng kapasidad ay humigit-kumulang 71.4% kapag na-discharge sa -25°C. Natuklasan ng pagsusuri ng EIS na ang pagpapabuti na ito sa pagganap ay higit sa lahat dahil sa pinababang impedance ng LiFePO4 electrode material.
Ang imahe ng HRTEM (a), structural schematic diagram (b) at SEM na imahe ng LFP@C/CNT nanocomposite sa itaas
Sa maraming mga materyales sa patong, metal o metal oxide nanoparticle ay nakakaakit ng pansin ng maraming mga mananaliksik dahil sa kanilang mahusay na electrical conductivity at simpleng paraan ng paghahanda. Yao et al. pinag-aralan ang epekto ng CeO2 coating sa performance ng LiFePO4/C na baterya. Sa eksperimento, ang mga particle ng CeO2 ay pantay na ipinamahagi sa ibabaw ng LiFePO4. Ang mga kinetics ay makabuluhang napabuti, na iniuugnay sa pinahusay na pakikipag-ugnay sa pagitan ng materyal ng elektrod at ng kasalukuyang kolektor pati na rin ang mga particle, pati na rin ang pagtaas ng paglipat ng singil sa interface ng LiFePO4-electrolyte, na binabawasan ang polarisasyon ng elektrod.
Katulad nito, sinasamantala ang magandang electrical conductivity ng V2O3, pinahiran ito sa ibabaw ng LiFePO4, at nasubok ang mga electrochemical properties ng mga coated sample. Ang pananaliksik sa mga lithium ions ay nagpapakita na ang V2O3 layer na may magandang conductivity ay maaaring makabuluhang magsulong ng lithium ion transport sa LiFePO4 electrode, kaya ang V2O3 modified LiFePO4/C na baterya ay nagpapakita ng mahusay na electrochemical performance sa mababang temperatura na kapaligiran, tulad ng ipinapakita sa sumusunod na figure.
Ipinapakita ng graph sa itaas ang pagganap ng pagbibisikleta ng LiFePO4 na pinahiran ng iba't ibang nilalaman ng V2O3 sa mababang temperatura
Ang ibabaw ng materyal na LiFePO4 ay pinahiran ng Sn nanoparticle sa pamamagitan ng isang simpleng proseso ng electrodeposition (ED), at ang epekto ng Sn coating sa electrochemical performance ng LiFePO4/C cells ay sistematikong sinisiyasat. Ipinakita ng pagsusuri ng SEM at EIS na pinahusay ng Sn coating ang contact sa pagitan ng mga particle ng LiFePO4, at ang materyal ay may mas mababang paglaban sa paglipat ng singil at mas mataas na rate ng pagsasabog ng lithium sa mababang temperatura.
Samakatuwid, pinapabuti ng Sn coating ang partikular na kapasidad, pagganap ng pagbibisikleta, at kakayahan sa rate ng LiFePO4/C cells sa mababang temperatura. Bilang karagdagan, si Tang et al. ginamit ang aluminum-doped zinc oxide (AZO) bilang isang conductive material upang pahiran ang ibabaw ng LiFePO4 electrode material. Ang mga resulta ng electrochemical test ay nagpapakita na ang AZO coating ay maaari ding lubos na mapabuti ang rate capability at mababang temperatura na pagganap ng LiFePO4, na dahil sa conductive AZO coating na nagpapataas ng electrical conductivity ng LiFePO4 material.
Binabawasan ng Bulk Doping ang Bulk Resistance ng LiFePO4 Electrode Materials
Ang ion doping ay maaaring bumuo ng mga bakante sa LiFePO4 olivine lattice structure, na nagtataguyod ng diffusion rate ng mga lithium ions sa materyal, at sa gayon ay nagpapahusay sa electrochemical activity ng LiFePO4 na mga baterya. Ang lanthanum at magnesium doped Li0.99La0.01Fe0.9Mg0.1PO4/graphite airgel composite electrode material ay na-synthesize sa pamamagitan ng proseso ng solution impregnation. Ang materyal ay nagpakita ng mahusay na pagganap ng electrochemical sa mababang temperatura. Ang mga resulta ng eksperimento sa electrochemical impedance ay nagpakita na, Ang superiority na ito ay pangunahing nauugnay sa pinahusay na electronic conductivity ng materyal sa pamamagitan ng ion doping at graphite airgel coating.
Konklusyon at Outlook
Maikling binabalangkas ng artikulong ito ang 4 na paraan upang mapabuti ang pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng lithium iron phosphate:
- Ang pulso ay lumilikha ng init;
- Electrolyte modified surface SEI film;
- Pinapabuti ng surface coating ang surface conductivity ng LiFePO4 material;
- Pinapabuti ng bulk ion doping ang conductivity ng mga materyales ng LiFePO4.
Sa mababang temperatura na kapaligiran, ang pagtaas ng interfacial resistance sa LiFePO4 na mga baterya at ang paglaki ng SEI film na sapilitan ng lithium deposition ay ang mga pangunahing dahilan para sa pagkasira ng pagganap ng baterya.
Ang pulsed current ay maaaring mapabilis ang paggalaw ng mga singil sa electrolyte upang makabuo ng init, na maaaring mabilis na magpainit sa LIBs. Ang paggamit ng mga low-impedance electrolyte system o film-forming additives ay nakakatulong sa pagbuo ng siksik at ultra-manipis na SEI films na may mataas na ionic conductivity, pagpapabuti ng reaction resistance ng LiFePO4 electrode-electrolyte interface, at pagbabawas ng mga negatibong epekto ng mabagal. ion diffusion sanhi ng mababang temperatura.
Mayroong dalawang pangunahing paraan upang baguhin ang mga materyales ng LiFePO4: surface coating at ion doping.
Ang surface coating ng LiFePO4 electrode material ay nakakatulong sa pagpapabuti ng surface conductivity ng electrode material at pagbabawas ng contact resistance; habang ang ion doping ay kapaki-pakinabang sa pagbuo ng mga bakante at pagbabago ng valence sa istraktura ng sala-sala, pagpapalawak ng channel ng pagsasabog ng ion, at pagtataguyod ng mga lithium ions at electron sa materyal. rate ng migrasyon.
Samakatuwid, batay sa pagsusuri sa itaas, ang susi sa pagpapabuti ng pagganap ng mababang temperatura ng mga baterya ng lithium iron phosphate ay upang bawasan ang impedance sa loob ng baterya.
Baterya ng Keheng Self-Heating
100AH 12V Low Temperature Heating Enable
Saklaw ng Mga Produkto ng Keheng New Energy
Baterya ng escooter/ebike
12V/24V LiFePO4 na Baterya
Portable na istasyon ng kuryente
Mga sistema ng imbakan ng enerhiya ng ESS
MGA DEEP CYCLE BATTERIES na May BMS(lifepo4 Lithium Battery)
