Pagsusuri ng pagganap ng baterya ng lithium ion power sa mababang temperatura na kapaligiran

Ang mga katangian ng mga baterya ng lithium-ion power ay lubos na naaapektuhan ng ambient temperature, lalo na sa mga low-temperature na kapaligiran, kung saan ang available na enerhiya at power ay seryosong humihina, at ang pangmatagalang paggamit sa mga low-temperature na kapaligiran ay magpapabilis sa pagtanda ng lithium-ion power. baterya at paikliin ang kanilang buhay ng serbisyo.

Sa mabilis na pag-unlad ng bagong industriya ng sasakyan ng enerhiya, ang ilan sa mga potensyal na problema nito ay nagsimulang lumitaw.

Halimbawa, kapag ang isang de-koryenteng sasakyan ay tumatakbo sa isang mababang temperatura na kapaligiran, ang power failure ng mga pangunahing bahagi nito tulad ng lithium-ion power na baterya at motor nito ay nangyayari.

Nauunawaan na ang driving range at charging at discharging performance ng mga purong electric vehicle tulad ng Tesla Models, Nissan Leaf, Chevrolet Volt, at BAIC New Energy EV series ay malubhang hinahamon ng mababang temperatura na kapaligiran.

Sa panahon ng pag-promote ng mga de-koryenteng sasakyan, ang hanay ng pag-cruise, oras ng pag-charge at kaligtasan ng paggamit ay pangunahing pinaghihigpitan ng mga katangian ng mga baterya ng lithium-ion power.

Ang mga katangian ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan ay lubos na naaapektuhan ng nakapaligid na temperatura, lalo na sa mga kapaligirang mababa ang temperatura, kung saan seryosong humihina ang magagamit na enerhiya at kapangyarihan, at ang pangmatagalang paggamit sa mga kapaligirang mababa ang temperatura ay magpapabilis sa pagtanda ng lithium- ion power na mga baterya at paikliin ang kanilang buhay ng serbisyo.

Ang kapasidad at gumaganang boltahe ng karaniwang ginagamit na lithium-ion power na baterya para sa mga de-koryenteng sasakyan ay makabuluhang mababawasan sa -10°C, at ang pagganap ay magiging mas malala pa sa -20°C, na nagpapakita na ang available na discharge capacity nito ay bumababa. nang husto, at maaari lamang itong mapanatili ang 30% ng tiyak na kapasidad sa temperatura ng silid. tungkol sa.

Mahirap ding mag-charge ng mga baterya ng lithium-ion sa isang mababang temperatura na kapaligiran, at ang metal na lithium ay madaling idineposito sa ibabaw ng negatibong elektrod habang nagcha-charge. Ang paglaki ng mga lithium dendrite ay tumusok sa separator ng baterya at magdudulot ng panloob na short circuit sa baterya, na hindi lamang nagiging sanhi ng permanenteng pinsala sa baterya, ngunit nag-uudyok din ng thermal runaway ng baterya, na lubos na binabawasan ang kaligtasan ng paggamit nito.

Kaya, anong mga kadahilanan ang naghihigpit sa pagganap ng mababang temperatura ng mga lithium ions?

Pagsusuri ng pagganap ng baterya ng lithium-ion power sa mababang temperatura na kapaligiran

Mga katangian ng mababang temperatura sa pag-charge ng mga baterya ng lithium ion power

Kung nais mong maunawaan ang pagganap ng mababang temperatura ng lithium ion, maaari mo itong pag-aralan sa pamamagitan ng pagsubok sa mga katangian ng mababang temperatura ng baterya ng lithium ion power. Upang subukan ang mababang temperatura na mga katangian ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan, ang mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan ng iba't ibang mga detalye at materyales ay maaaring gamitin para sa pagsubok, kabilang ang mababang temperatura na discharge, pag-charge at mga pagsubok sa AC impedance.

Kapag nagsimulang mag-charge ang baterya ng lithium-ion power, agad na tumataas ang boltahe ng terminal ng baterya, at kapag mas mababa ang temperatura, mas mataas ang panimulang boltahe ng pag-charge ng baterya ng lithium-ion power. Sa mababang temperatura, ang terminal boltahe ay tumataas nang mas mabilis, at malapit nang maabot ang cut-off na boltahe at papasok sa patuloy na yugto ng pagsingil ng boltahe.

Habang bumababa ang temperatura, ang patuloy na kasalukuyang oras ng pag-charge ng baterya ng lithium-ion na kapangyarihan ay paikliin, habang ang oras ng pag-charge sa pare-parehong yugto ng boltahe ay papahabain, at ang kabuuang oras ng pag-charge ay tatagal din. Samakatuwid, sa ilalim ng parehong singil, ang oras ng pag-charge na kinakailangan para sa baterya ng lithium-ion na kapangyarihan ay tataas nang husto.

Sa iba't ibang mga kapaligiran sa temperatura, ang mga resulta ng pagsubok ng kapasidad ng pagsingil ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan ay nahahati sa kapasidad ng pagsingil ng patuloy na kasalukuyang yugto at ang kapasidad ng pagsingil ng patuloy na yugto ng boltahe. Para sa parehong baterya na may parehong charging cut-off na kondisyon, habang bumababa ang temperatura, ang kabuuang singil ng lithium-ion power na baterya ay nagpapakita ng pababang trend.

Sa nakatakdang charging mode, habang bumababa ang temperatura, tataas ang dami ng kuryenteng sisingilin sa pare-parehong yugto ng boltahe ng baterya ng lithium-ion power. Samakatuwid, ang pagbaba sa temperatura ay humahantong sa pagbawas ng patuloy na kasalukuyang kapasidad ng pagsingil ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan, na higit sa lahat ay umaasa sa pare-parehong boltahe para sa pagsingil. Ang pangmatagalang pag-charge sa patuloy na yugto ng boltahe ay magpapahaba sa kabuuang oras ng pag-charge ng mga baterya ng lithium-ion na power, na magpapababa sa kahusayan ng oras ng pag-charge, at pangmatagalang pag-charge. Ang mababang temperatura at pare-pareho ang pagsingil ng boltahe ay isa rin sa mga dahilan ng pagkasira ng pagganap ng side reaction ng mga baterya ng lithium-ion power.

Kapag ang mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan ay ginagamit sa mababang temperatura, ang mga katangian ng enerhiya at kapangyarihan ay seryosong pinahina. Mula sa isang macro perspective, ang mababang temperatura na pagganap ng mga baterya ng lithium-ion power ay nagpapakita na sa pagbaba ng temperatura, ang impedance ng mga baterya ng lithium-ion power ay tumataas, ang discharge voltage platform ay bumababa, at ang terminal boltahe ng baterya ay mabilis na bumaba, na nagreresulta sa isang malaking halaga ng magagamit na kapasidad at kapangyarihan. pagpapalambing.

Ang mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan ay hindi lamang mahirap makamit ang mataas na kasalukuyang paglabas sa mababang temperatura, ngunit dahil din sa pagtaas ng impedance ng baterya, ang boltahe ng pagsingil ay mabilis na tumataas, pinaikli ang oras para maabot ng baterya ang boltahe ng pagwawakas ng proteksyon sa pagsingil, kaya may mga disadvantages ng mahirap na pag-charge at mababang charging efficiency.

Sa mikroskopiko, ang mababang temperatura na mga katangian ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan ay pangunahing apektado ng mababang ionic conductivity ng electrolyte sa loob ng baterya sa mababang temperatura, ang pagbawas ng electrochemical reaction rate ng electrode ng baterya sa mababang temperatura, ang pagbawas ng ang kondaktibiti ng SEI film sa ibabaw ng mga particle ng grapayt ng negatibong elektrod ng baterya sa mababang temperatura, at ang mababang temperatura. Sa ilalim ng mga hadlang ng mga kadahilanan tulad ng mababang solid-phase diffusion coefficient ng lithium ions sa mga particle ng materyal na grapayt ng negatibong elektrod ng baterya.

Samakatuwid, ang pagganap ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan sa mababang temperatura ay unang nauugnay sa electrolyte ng baterya. Ang electrolyte solvent ng lithium-ion power battery ay hindi lamang direktang nakakaapekto sa hanay ng temperatura ng liquidus ng electrolyte, ngunit direktang nakikilahok din sa reaksyon ng pagbuo ng SEI film.

Ang conductivity ng electrolyte ay bumababa sa mababang temperatura, at ang precipitated lithium metal ay madaling tumutugon sa electrolyte dahil sa mababang temperatura na pagsingil, na nagreresulta sa karagdagang pagkasira ng mababang temperatura na pagganap ng mga baterya ng lithium-ion na power.

Ang pagtaas sa paglaban ng SEI film ng panloob na elektrod ng baterya sa mababang temperatura ay isa pang kadahilanan na nagpapalala sa pagganap ng mababang temperatura ng baterya ng lithium-ion power. Sa mababang temperatura, ang paglaban ng SEI film ng panloob na elektrod ng baterya ay tumataas, at ang magagamit na kapangyarihan ng baterya ng lithium-ion na kapangyarihan ay bumababa.

Sa panahon ng mababang temperatura na pagcha-charge, ang metal na lithium ay namuo sa ibabaw ng mga negatibong electrode particle, at ang reaksyon sa pagitan ng lithium metal at ng electrolyte ay nagreresulta sa pagpapalapot ng SEI film. Sa isang banda, ang SEI film impedance ng baterya ay tumataas, at sa kabilang banda, ang pagbabawas ng magagamit na mga aktibong lithium ions sa negatibong elektrod ay maaaring humantong sa hindi maibabalik na pagkasira ng kapasidad ng baterya ng lithium-ion na kapangyarihan.

Sa mababang temperatura, bumababa ang electrochemical reaction rate ng lithium-ion power battery, at ang panloob na resistensya ng paglilipat ng singil ay tumataas nang malaki. Kung ikukumpara sa electrochemical ohmic internal resistance at SEI film impedance, ang epekto ng temperatura control sa proseso ng electrochemical reaction ng baterya ay mas malinaw, at ang charge transfer internal resistance ay tumataas nang exponentially sa pagbaba ng temperatura. Ang pangunahing dahilan para sa pagkasira ng pagganap ng kapangyarihan ng baterya ng kapangyarihan ng ion.

Ang pagbawas ng solid-phase diffusion coefficient ng lithium ions sa anode graphite ay isa rin sa mga pangunahing kadahilanan na humahantong sa pagkasira ng mababang temperatura ng pagganap ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan. Ang pagbabawas ng solid-phase diffusion coefficient ng lithium ions sa anode graphite sa mababang temperatura ay ang pangunahing hakbang sa pagkontrol sa rate na humahantong sa pagkasira ng mga katangian ng kapasidad ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan.

Kapag ang baterya ay sinisingil sa mababang temperatura, ang maliit na diffusion coefficient ay hahadlang sa proseso ng pagsasabog ng mga lithium ions sa negatibong electrode graphite, na madaling magdulot ng "lithium deposition" sa ibabaw ng mga negatibong particle ng electrode, na magdudulot ng permanenteng pinsala sa ang baterya.

Mga katangian ng mababang temperatura na naglalabas ng mga baterya ng lithium ion power

Kunin ang 18650 type na nickel-cobalt-manganese system lithium-ion power na baterya, lithium iron phosphate system lithium-ion power na baterya, nickel-cobalt-manganese system na lithium-ion power na baterya bilang halimbawa, pagsubok sa paglabas muna. Sa kapaligiran na 25 ℃, ang tatlong lithium-ion power na baterya ay sinisingil ng pare-pareho ang kasalukuyang at pare-pareho ang boltahe upang gawin ang SOC (natitirang kapangyarihan) na umabot sa 100%, at pagkatapos ay tumayo ng 4 na oras sa iba't ibang temperatura, at maghintay para sa temperatura ng baterya upang maabot ang itinakdang temperatura. Pagkatapos, gawin ang kaukulang pagsubok.

Upang pag-aralan ang mga katangian ng paglabas ng baterya sa mababang temperatura, posibleng gumamit ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan na may magkakaibang mga detalye sa ilalim ng dalawang magkaibang materyal na sistema upang mag-discharge ng mga boltahe sa magkaibang temperatura at magkaibang mga rate (1C, 2C), at gumamit ng tatlo lithium-ion power na mga baterya na may iba't ibang katangian. Ang na-rate na kapasidad at kasalukuyang rate ay ginagamit upang pantay na pag-aralan ang mga katangian ng mga baterya ng lithium-ion power, tulad ng ipinapakita sa Figure 3.

Sa pagbaba ng temperatura ng kapaligiran, ang boltahe ng paglabas ng baterya ay nagpapakita ng isang mabilis na pababang trend, at ang mga katangian ng kapangyarihan ng baterya ng lithium-ion na kapangyarihan ay lumalala. Sa pagbaba ng temperatura, ang oras para maabot ng baterya ng lithium-ion power ang cut-off na boltahe ay pinaikli, na nagpapahiwatig na ang magagamit na kapasidad nito ay seryosong pinahina. .

Sa paghahambing, makikita na sa parehong temperatura, ang rate ng pagkabulok ng lithium iron phosphate system lithium-ion power na baterya ay mas mataas kaysa sa 18650 nickel-cobalt-manganese system lithium-ion power na baterya, na tinutukoy ng mga katangian ng materyal. Ang likas na mababang temperatura ng conductivity ng lithium iron phosphate na mga materyales ay mahirap, na nagreresulta sa malubhang pagpapahina ng mababang temperatura na mga katangian ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan.

Samakatuwid, mas mababa ang temperatura, mas malaki ang pagbaba sa paunang boltahe ng terminal ng baterya ng lithium-ion power. Habang bumababa ang temperatura, tumataas ang impedance ng baterya ng lithium-ion power, na nagreresulta sa pagtaas ng bahagyang presyon ng panloob na pagtutol ng baterya, kaya bumababa ang terminal boltahe ng baterya.

Sa maagang yugto ng mababang temperatura na paglabas ng baterya ng lithium-ion power, ang boltahe ng terminal ay bumangon, na pangunahing sanhi ng pagbuo ng init ng baterya ng lithium-ion na kapangyarihan sa panahon ng proseso ng paglabas.

Upang lubos na maunawaan ang impluwensya ng temperatura at rate ng paglabas sa mga katangian ng kapangyarihan at kapasidad ng mga baterya ng lithium-ion power, ang magagamit na ratio ng kapasidad ng dalawang baterya ng lithium-ion na kapangyarihan sa magkaibang mga rate ng paglabas at temperatura ay maaaring masuri, tulad ng ipinapakita sa Figure 6.

Habang bumababa ang temperatura, ang magagamit na kapasidad ng baterya ng lithium-ion power ay mabubulok. Ang kapasidad ng baterya ng Lithium-ion power ay makabuluhang bababa habang bumababa ang temperatura sa paligid. Kapag ang 18650 type na nickel-cobalt-manganese system lithium-ion power na baterya ay nabulok sa humigit-kumulang 50% ng discharge capacity sa 25 ℃ sa 0.5C rate discharge at 1C rate discharge capacity sa -30 ℃, ang 2C constant current discharge capacity ay 0.

Ayon sa paghahambing ng data, sa parehong temperatura, ang rate ng pagkabulok ng lithium iron phosphate system lithium ion power na baterya ay mas mataas kaysa sa 18650 nickel cobalt manganese system lithium ion power na baterya, na dahil sa mahinang mababang temperatura ng conductivity ng ang materyal na lithium iron phosphate.

Ang paunang discharge terminal boltahe ng lithium-ion power na mga baterya ay hindi lamang apektado ng temperatura, kundi pati na rin ng discharge rate. Habang bumababa ang temperatura, patuloy na bumababa ang paunang discharge terminal boltahe ng lithium-ion power battery, higit sa lahat dahil bumababa ang temperatura, tumataas ang panloob na resistensya ng lithium-ion power battery, at ang panloob na boltahe ng lithium-ion power na baterya nadadagdagan.

Bilang karagdagan, habang bumababa ang temperatura, ang pagkakaiba sa paunang boltahe ng terminal ng baterya ng lithium-ion na kapangyarihan sa iba't ibang mga rate ay mas malinaw din. Temperatura -30 ℃, ang paunang boltahe ng 0.5C rate discharge ay 6.8% na mas mababa kaysa sa paunang boltahe sa 25 ℃, ang paunang boltahe ng 1C rate discharge ay halos 12.7% na mas mababa kaysa sa unang boltahe na 25 ℃, 2C rate Ang paunang ang boltahe ng discharge ay bumaba ng halos 22.8% kumpara sa unang boltahe ng paglabas sa 25 ℃.

Sa mababang temperatura at mataas na rate ng discharge, ang output boltahe ng lithium-ion power na baterya ay seryoso ring pinahina, na nakakaapekto sa power output ng lithium-ion power na baterya. Sa ilalim ng mga kondisyon ng pagpapatakbo ng sasakyan, ito ay pangunahing nakakaapekto sa acceleration at climbing na mga katangian ng sasakyan.

Mababang temperatura ng mga katangian ng electrochemical impedance ng mga baterya ng lithium ion

Ang Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), na kilala rin bilang AC impedance spectroscopy, ay upang sukatin ang pagbabago nang may dalas sa pamamagitan ng paglalapat ng isang maliit na amplitude sinusoidal AC signal (boltahe o kasalukuyang) sa electrochemical system sa isang tiyak na hanay ng frequency. Isang paraan para sa ratio ng AC boltahe sa mga kasalukuyang signal.

Ang pamamaraang ito ay maaaring makakuha ng higit pang impormasyon sa istraktura ng interface ng elektrod at kinetics kaysa sa iba pang mga maginoo na pamamaraan ng electrochemical, kaya malawak itong ginagamit upang pag-aralan ang panloob na mekanismo ng mga baterya ng Li-ion.

Ang mataas na dalas ng ohmic impedance ay tumataas sa pagbaba ng temperatura; unti-unting lumalawak ang high-frequency at mid-frequency impedance sa pagbaba ng temperatura. Samakatuwid, ang film resistance ng solid-liquid interface at ang internal resistance ng charge transfer ay tataas.

Sa mababang temperatura, para sa 18650 type nickel-cobalt-manganese system lithium-ion power battery, mawawala ang diffusion, at sa -20 ℃, tataas ang impedance sa ilang beses na sa temperatura ng kuwarto.

Samakatuwid, ang ultra-high frequency region (sa itaas 10 kHz) ay kumakatawan sa transportasyon ng mga electron sa pamamagitan ng mga particle ng aktibong materyal at ang transportasyon ng mga lithium ions sa electrolyte sa pagitan ng mga particle ng aktibong materyal, na kinakatawan bilang intersection ng spectrum at ang tunay na axis sa EIS spectrum, Tinukoy bilang ang electrochemical ohmic panloob na pagtutol R0.

Ang pagsasabog at paglipat ng mga lithium ions sa pamamagitan ng SEI film sa ibabaw ng mga aktibong particle ng materyal sa rehiyon na may mataas na dalas ay lumilitaw bilang isang semi-circular arc sa impedance map. Ang prosesong ito ay katumbas na pinapalitan ng RSEI/CSEI parallel structure sa impedance model.

Ang impedance arc na nauugnay sa electrochemical reaction sa intermediate frequency region ay kinabibilangan ng dalawang proseso ng charge migration at electric double layer charge at discharge. Ang proseso ng paglilipat ng singil ay nangyayari sa magkabilang interface ng solid-phase electrode at ng electrolyte. Ang prosesong ito ay sumusunod sa batas ng Faraday, kaya tinatawag din itong proseso ng Faraday.

Sa proseso ng paglilipat ng singil, ang bilis ng paglipat ng singil ay makikita ng kasalukuyang Faraday. Sa pangkalahatan, ang proseso ng paglilipat ng singil ay maaaring katumbas ng isang purong pagtutol, na tinatawag na paglaban sa panloob na paglilipat ng singil o paglaban ng Faraday, at kinakatawan ng R ct.

Ang proseso ng pag-charge-discharge ng electric double layer ay tinatawag ding proseso ng Faraday. Ang prosesong ito ay nangyayari din sa junction ng solid-phase electrode at ang liquid-phase electrolyte interface, na bumubuo ng isang pisikal na istraktura na katulad ng capacitance, at sa gayon ay bumubuo ng interface electric double layer ng electrode. Kinakatawan ng Capacitance Cdl.

Ang rehiyon ng mababang dalas ay higit sa lahat dahil sa proseso ng pagsasabog ng mga lithium ions sa mga aktibong particle ng materyal. Kapag nangyari ang electrochemical reaction, ang Faradaic current ay dumadaloy sa interface sa pagitan ng solid-phase electrode at ng electrolyte, na nagreresulta sa pagkonsumo ng mga reactant at ang akumulasyon ng mga produkto sa interface, na nagreresulta sa pagkakaiba ng konsentrasyon sa pagitan ng solid at likidong mga phase.

Ayon sa porous electrode theory, ang solid-phase electrode ay ipinapalagay na mga spherical particle na may tiyak na porosity. Habang nagpapatuloy ang reaksyon, ang akumulasyon ng mga sangkap sa loob ng mga particle ay tataas, ang gradient ng konsentrasyon ng mga sangkap sa loob at labas ng interface ay bababa, at ang diffusion rate ng mga sangkap ay bababa. mabagal.

Kapag ang sangkap sa elektrod ay dahan-dahang nagkakalat sa isang matatag na estado, nangyayari ang matatag na polarisasyon ng konsentrasyon, iyon ay, ang polarization phenomenon na sanhi ng pagkakaiba sa pamamahagi ng konsentrasyon ng lithium ion sa loob ng baterya.

Sa pangkalahatan, ang semi-infinite diffusion impedance Weber impedance ZW ay maaaring gamitin upang kumatawan sa proseso ng pagsasabog. Isinasaalang-alang ang mga geometrical na kadahilanan ng ibabaw ng elektrod at ang pagkakaroon ng adsorption, kinakatawan din ito ng isang pare-parehong elemento ng phase, na kinakatawan ng simbolo na ZD.

Dahil ang hanay ng pagsubok ng EIS ay 100 kHz – 0.01 Hz, walang mga pagbabago sa kristal na istraktura ng mga aktibong partikulo ng materyal sa napakababang rehiyon ng dalas o ang kalahating bilog na nauugnay sa pagbuo ng mga bagong yugto na maaaring maobserbahan sa spectrum ng EIS. Tulad ng ipinapakita sa a sa Figure 9, sa tulong ng AC impedance spectrum analysis software ZView, ang mga parameter ng impedance ng baterya na R0, RSEI at Rct ay nilagyan at natukoy, at ang tatlong mga halaga ng impedance ay maaaring kalkulahin at makuha ayon sa pahalang. axis ng impedance spectrum.

Ang impedance ay tataas sa pagbaba ng temperatura, kung saan ang R0 at RSEI ay nagbabago nang medyo maayos sa temperatura, at ang halaga ng impedance ay tumataas nang kaunti sa pagbaba ng temperatura. Ngunit ang Rct ay tataas nang malaki sa pagbaba ng temperatura. Dahil ang R0 at RSEI ay pangunahing apektado ng ionic conductivity sa electrolyte, ang batas ng pagbabago ng temperatura ay katulad ng sa electrolyte ionic conductivity na may temperatura.

Sa pangkalahatan, upang malutas ang mga problema ng mga bagong sasakyang pang-enerhiya na tumatakbo sa mababang temperatura na mga kapaligiran, dapat tayong magsimula sa pagganap ng mga baterya ng lithium-ion na kapangyarihan.

Ang pagpuntirya sa hindi kanais-nais na mga kadahilanan ng mababang temperatura ng baterya ng lithium, ang Keheng lithium battery engineer team ay bumuo ng self-heating function ng baterya sa mababang temperatura at sobrang lamig na kapaligiran, na maaaring epektibong malutas ang depektong ito ng baterya ng lithium. Ang self-heating ay isang opsyonal na function ng lithium iron phosphate deep cycle na baterya. Lahat ng Keheng lithium iron phosphate na baterya ay maaaring nilagyan ng self-heating function, pati na rin ang Bluetooth function at BMS system mobile phone APP monitoring function.