Các đặc tính của pin điện lithium-ion bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ môi trường xung quanh, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ thấp, nơi năng lượng và công suất có sẵn suy giảm nghiêm trọng, và sử dụng lâu dài trong môi trường nhiệt độ thấp sẽ làm tăng tốc độ lão hóa của nguồn điện lithium-ion pin và giảm tuổi thọ sử dụng của chúng.
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp xe năng lượng mới, một số vấn đề tiềm ẩn của nó đã bắt đầu xuất hiện.
Ví dụ, khi một chiếc xe điện chạy trong môi trường nhiệt độ thấp, các bộ phận chính của nó như pin điện lithium-ion và động cơ sẽ xảy ra sự cố.
Điều này được hiểu rằng phạm vi lái xe và hiệu suất sạc và xả của các mẫu xe chạy điện thuần túy như Tesla Models, Nissan Leaf, Chevrolet Volt và BAIC New Energy EV series đang bị thách thức nghiêm trọng bởi môi trường nhiệt độ thấp.
Trong quá trình quảng bá xe điện, phạm vi bay, thời gian sạc và độ an toàn khi sử dụng chủ yếu bị hạn chế bởi các đặc tính của pin điện lithium-ion.
Các đặc tính của pin điện lithium-ion bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ xung quanh, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ thấp, nơi năng lượng và công suất có sẵn suy giảm nghiêm trọng, và việc sử dụng lâu dài trong môi trường nhiệt độ thấp sẽ đẩy nhanh quá trình lão hóa của pin lithium- pin điện ion và giảm tuổi thọ sử dụng của chúng.
Công suất và điện áp làm việc của pin lithium-ion thường được sử dụng cho xe điện sẽ giảm đáng kể ở -10 ° C và hiệu suất thậm chí còn kém hơn ở -20 ° C, điều này cho thấy khả năng phóng điện khả dụng của nó giảm xuống. mạnh, và nó chỉ có thể duy trì 30% công suất cụ thể ở nhiệt độ phòng. Về.
Cũng khó sạc pin lithium-ion trong môi trường nhiệt độ thấp và lithium kim loại dễ bị đọng lại trên bề mặt của điện cực âm trong quá trình sạc. Sự phát triển của các đuôi gai lithium sẽ xuyên qua bộ phân tách pin và gây ra đoản mạch bên trong pin, điều này không chỉ gây hư hỏng vĩnh viễn cho pin mà còn gây thoát nhiệt cho pin, làm giảm đáng kể độ an toàn khi sử dụng.
Vì vậy, những yếu tố nào hạn chế hiệu suất ở nhiệt độ thấp của các ion liti?
Đặc điểm sạc ở nhiệt độ thấp của pin lithium ion
Nếu bạn muốn hiểu hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin lithium ion, bạn có thể phân tích nó bằng cách thử nghiệm các đặc tính nhiệt độ thấp của pin điện lithium ion. Để kiểm tra các đặc tính nhiệt độ thấp của pin nguồn lithium-ion, có thể sử dụng pin nguồn lithium-ion với các thông số kỹ thuật và vật liệu khác nhau để thử nghiệm, bao gồm các thử nghiệm phóng điện ở nhiệt độ thấp, sạc và kiểm tra trở kháng AC.
Khi pin lithium-ion bắt đầu sạc, điện áp đầu cực của pin sẽ tăng ngay lập tức và nhiệt độ càng thấp thì điện áp bắt đầu của quá trình sạc pin lithium-ion càng cao. Ở nhiệt độ thấp, điện áp đầu cuối tăng nhanh hơn, và sẽ sớm đạt đến điện áp cắt và bước vào giai đoạn sạc điện áp không đổi.
Khi nhiệt độ giảm, thời gian sạc dòng điện không đổi của pin lithium-ion sẽ được rút ngắn, trong khi thời gian sạc ở pha điện áp không đổi sẽ được kéo dài và tổng thời gian sạc cũng sẽ dài hơn. Do đó, trong cùng một lần sạc, thời gian sạc cần thiết cho pin điện lithium-ion sẽ tăng lên đáng kể.
Trong các môi trường nhiệt độ khác nhau, kết quả thử nghiệm khả năng sạc của pin điện lithium-ion được chia thành khả năng sạc của giai đoạn dòng điện không đổi và khả năng sạc của giai đoạn điện áp không đổi. Đối với cùng một loại pin có cùng điều kiện cắt sạc, khi nhiệt độ giảm xuống, mức sạc tổng thể của pin nguồn lithium-ion sẽ có xu hướng giảm.
Trong chế độ sạc đã đặt, khi nhiệt độ giảm, lượng điện được sạc trong giai đoạn điện áp không đổi của pin điện lithium-ion sẽ tăng lên. Do đó, nhiệt độ giảm dẫn đến giảm khả năng sạc hiện tại của pin lithium-ion, chủ yếu dựa vào điện áp không đổi để sạc. Sạc lâu dài trong giai đoạn điện áp không đổi sẽ kéo dài thời gian sạc tổng thể của pin lithium-ion, làm giảm hiệu quả của thời gian sạc và thời gian sạc lâu dài. Nhiệt độ thấp và sạc điện áp liên tục cũng là một trong những nguyên nhân làm giảm hiệu suất phản ứng phụ của pin lithium-ion.
Khi sử dụng pin điện lithium-ion ở nhiệt độ thấp, đặc tính năng lượng và công suất bị suy giảm nghiêm trọng. Từ góc độ vĩ mô, hiệu suất nhiệt độ thấp của pin nguồn lithium-ion cho thấy rằng khi nhiệt độ giảm, trở kháng của pin nguồn lithium-ion tăng lên, nền tảng điện áp phóng điện giảm và điện áp đầu cuối của pin giảm nhanh chóng, dẫn đến trong một lượng lớn công suất và năng lượng sẵn có. sự suy giảm.
Pin Lithium-ion không chỉ khó đạt được mức phóng điện cao ở nhiệt độ thấp, mà còn do trở kháng của pin tăng lên, điện áp sạc tăng nhanh, rút ngắn thời gian để pin đạt đến điện áp kết thúc bảo vệ sạc, nên có nhược điểm là khó sạc và hiệu quả sạc thấp.
Về mặt vi thể, các đặc tính nhiệt độ thấp của pin lithium-ion chủ yếu bị ảnh hưởng bởi độ dẫn ion thấp của chất điện phân bên trong pin ở nhiệt độ thấp, tốc độ phản ứng điện hóa của điện cực pin giảm ở nhiệt độ thấp, giảm độ dẫn của màng SEI trên bề mặt của các hạt graphit của điện cực âm của pin ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ thấp. Dưới sự ràng buộc của các yếu tố như hệ số khuếch tán pha rắn thấp của các ion liti trong các hạt vật liệu graphit của điện cực âm của pin.
Do đó, hiệu suất của pin lithium-ion ở nhiệt độ thấp trước hết liên quan đến chất điện phân của pin. Dung môi điện phân của pin lithium-ion không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến dải nhiệt độ lỏng của chất điện phân mà còn trực tiếp tham gia vào phản ứng hình thành màng SEI.
Độ dẫn điện của chất điện phân giảm ở nhiệt độ thấp và kim loại lithium kết tủa dễ dàng phản ứng với chất điện phân do sạc ở nhiệt độ thấp, dẫn đến việc giảm hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin điện lithium-ion.
Sự gia tăng điện trở của màng SEI của điện cực bên trong pin ở nhiệt độ thấp là một yếu tố khác làm giảm hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin lithium-ion. Ở nhiệt độ thấp, điện trở của màng SEI của điện cực bên trong pin tăng lên, và công suất khả dụng của pin lithium-ion giảm.
Trong quá trình sạc ở nhiệt độ thấp, liti kim loại bị kết tủa trên bề mặt của các phần tử điện cực âm, và phản ứng giữa kim loại liti và chất điện phân dẫn đến màng SEI dày lên. Một mặt, trở kháng phim SEI của pin tăng lên và mặt khác, việc giảm các ion lithium hoạt động có sẵn trong điện cực âm có thể dẫn đến sự suy giảm dung lượng không thể phục hồi của pin nguồn lithium-ion.
Ở nhiệt độ thấp, tốc độ phản ứng điện hóa của pin lithium-ion giảm, và điện trở bên trong của quá trình truyền điện tích tăng lên đáng kể. So với nội trở điện hóa ohmic và trở kháng màng SEI, ảnh hưởng của việc kiểm soát nhiệt độ đến quá trình phản ứng điện hóa của pin rõ ràng hơn, và nội trở truyền điện tích tăng theo cấp số nhân khi nhiệt độ giảm. Nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm hiệu suất năng lượng của pin điện ion.
Việc giảm hệ số khuếch tán pha rắn của các ion lithium trong than chì ở cực dương cũng là một trong những yếu tố chính dẫn đến sự suy giảm hiệu suất ở nhiệt độ thấp của pin lithium-ion. Việc giảm hệ số khuếch tán pha rắn của các ion lithium trong than chì cực dương ở nhiệt độ thấp là bước kiểm soát tốc độ chính dẫn đến việc giảm đặc tính dung lượng của pin lithium-ion.
Khi pin được sạc ở nhiệt độ thấp, hệ số khuếch tán nhỏ sẽ cản trở quá trình khuếch tán của các ion lithium trong than chì điện cực âm, dễ gây ra hiện tượng “lắng đọng lithium” trên bề mặt của các phần tử điện cực âm, gây ra hư hỏng vĩnh viễn cho cục pin.
Đặc điểm phóng điện ở nhiệt độ thấp của pin điện lithium ion
Lấy pin lithium-ion hệ thống niken-coban-mangan loại 18650, pin lithium-ion hệ thống lithium-phosphate, pin lithium-ion hệ thống niken-coban-mangan làm ví dụ, thử nghiệm phóng điện trước. Trong môi trường 25 ℃, ba pin lithium-ion được sạc với dòng điện không đổi và hiệu điện thế không đổi để làm cho SOC (năng lượng còn lại) đạt 100%, sau đó để yên trong 4 giờ ở các nhiệt độ khác nhau và đợi nhiệt độ của pin để đạt đến nhiệt độ cài đặt. Sau đó, thực hiện kiểm tra tương ứng.
Để nghiên cứu các đặc tính phóng điện của pin ở nhiệt độ thấp, có thể sử dụng pin nguồn lithium-ion với các thông số kỹ thuật khác nhau dưới hai hệ thống vật liệu khác nhau để phóng điện áp ở các nhiệt độ khác nhau và tốc độ khác nhau (1C, 2C), và sử dụng ba pin lithium-ion với các đặc điểm khác nhau. Công suất danh định và tốc độ dòng điện được sử dụng để phân tích thống nhất các đặc tính của pin điện lithium-ion, như thể hiện trong Hình 3.
Với sự giảm nhiệt độ môi trường xung quanh, điện áp phóng điện của pin có xu hướng giảm nhanh chóng và các đặc tính năng lượng của pin lithium-ion sẽ xấu đi. Với việc giảm nhiệt độ, thời gian để pin lithium-ion đạt đến điện áp cắt bị rút ngắn, cho thấy dung lượng khả dụng của nó đang bị suy giảm nghiêm trọng. .
Bằng cách so sánh, có thể thấy rằng ở cùng một nhiệt độ, tốc độ phân hủy của pin lithium-ion hệ thống lithium iron phosphate cao hơn so với pin lithium-ion hệ thống 18650 niken-coban-mangan, được xác định bởi các thuộc tính vật liệu. Khả năng dẫn điện ở nhiệt độ thấp vốn có của vật liệu lithium iron phosphate rất kém, dẫn đến suy giảm nghiêm trọng các đặc tính nhiệt độ thấp của pin lithium-ion.
Do đó, nhiệt độ càng thấp, sự sụt giảm điện áp đầu cuối ban đầu của pin lithium-ion càng lớn. Khi nhiệt độ giảm, trở kháng của pin nguồn lithium-ion tăng lên, dẫn đến tăng áp suất riêng phần của điện trở bên trong pin, do đó điện áp đầu cuối của pin giảm.
Trong giai đoạn đầu của pin lithium-ion phóng điện ở nhiệt độ thấp, điện áp đầu cuối đã tăng trở lại, nguyên nhân chủ yếu là do sự sinh nhiệt của pin lithium-ion trong quá trình phóng điện.
Để hiểu đầy đủ về ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ phóng điện lên đặc tính công suất và công suất của pin điện lithium-ion, có thể phân tích tỷ lệ dung lượng khả dụng của hai pin điện lithium-ion ở các tốc độ phóng điện và nhiệt độ khác nhau, như thể hiện trong Hình 6.
Khi nhiệt độ giảm, dung lượng khả dụng của pin lithium-ion sẽ giảm xuống. Dung lượng pin lithium-ion sẽ giảm đáng kể khi nhiệt độ môi trường giảm. Khi pin điện lithium-ion của hệ thống niken-coban-mangan loại 18650 đã giảm xuống còn khoảng 50% công suất xả ở mức xả 25 ℃ ở tốc độ 0.5C và khả năng xả tốc độ 1C ở -30 ℃, khả năng xả dòng không đổi 2C là 0.
Theo so sánh dữ liệu, ở cùng nhiệt độ, tốc độ phân hủy của pin lithium ion hệ thống lithium iron phosphate cao hơn so với pin lithium ion hệ thống 18650 niken coban, đó là do độ dẫn nhiệt độ thấp kém của vật liệu lithium sắt phosphate.
Điện áp đầu cuối phóng điện ban đầu của pin lithium-ion không chỉ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ mà còn bởi tốc độ phóng điện. Khi nhiệt độ giảm xuống, điện áp đầu cuối phóng điện ban đầu của pin nguồn lithium-ion tiếp tục giảm, chủ yếu là do nhiệt độ giảm, điện trở bên trong của pin nguồn lithium-ion tăng và điện áp bên trong của pin nguồn lithium-ion tăng.
Ngoài ra, khi nhiệt độ giảm, sự khác biệt về điện áp đầu cuối ban đầu của pin lithium-ion ở các tốc độ khác nhau cũng rõ ràng hơn. Nhiệt độ -30 ℃, điện áp ban đầu của phóng điện tỷ lệ 0.5C chỉ thấp hơn 6.8% so với điện áp ban đầu ở 25 ℃, điện áp ban đầu của phóng điện tỷ lệ 1C thấp hơn gần 12.7% so với điện áp ban đầu 25 ℃, tốc độ 2C ban đầu điện áp phóng điện giảm gần 22.8% so với điện áp phóng điện ban đầu ở mức 25 ℃.
Ở nhiệt độ thấp và tốc độ phóng điện cao, điện áp đầu ra của pin lithium-ion cũng bị suy giảm nghiêm trọng, điều này ảnh hưởng đến công suất đầu ra của pin lithium-ion. Trong điều kiện vận hành của xe, nó chủ yếu ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc và đặc tính leo dốc của xe.
Đặc điểm trở kháng điện hóa ở nhiệt độ thấp của pin lithium ion
Phổ trở kháng điện hóa (EIS), còn được gọi là quang phổ trở kháng AC, là đo sự thay đổi theo tần số bằng cách đặt một tín hiệu xoay chiều hình sin biên độ nhỏ (điện áp hoặc dòng điện) vào hệ thống điện hóa trong một dải tần số nhất định. Một phương pháp cho tỷ lệ điện áp xoay chiều trên tín hiệu hiện tại.
Phương pháp này có thể thu được nhiều thông tin về cấu trúc giao diện điện cực và động học hơn các phương pháp điện hóa thông thường khác, do đó nó được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu cơ chế bên trong của pin Li-ion.
Trở kháng ohmic tần số cao tăng khi nhiệt độ giảm; trở kháng tần số cao và trung tần mở rộng dần khi nhiệt độ giảm dần. Do đó, điện trở màng của mặt phân cách rắn-lỏng và điện trở bên trong của quá trình truyền điện tích sẽ tăng lên.
Ở nhiệt độ thấp, đối với pin lithium-ion hệ thống niken-coban-mangan loại 18650, sự khuếch tán sẽ biến mất và ở -20 ℃, trở kháng sẽ tăng lên vài lần ở nhiệt độ phòng.
Do đó, vùng tần số siêu cao (trên 10 kHz) đại diện cho sự vận chuyển của các điện tử qua các phần tử của vật liệu hoạt động và sự vận chuyển của các ion liti trong chất điện phân giữa các phần tử của vật liệu hoạt động, được biểu thị như giao điểm của phổ và trục thực trên phổ EIS, Được xác định là điện trở trong ohmic điện hóa R0.
Sự khuếch tán và di chuyển của các ion liti qua màng SEI trên bề mặt của các hạt vật chất hoạt động trong vùng tần số cao xuất hiện như một cung bán nguyệt trên bản đồ trở kháng. Quá trình này được thay thế tương đương bằng cấu trúc song song RSEI / CSEI trong mô hình trở kháng.
Hồ quang trở kháng liên quan đến phản ứng điện hóa trong vùng tần số trung gian bao gồm hai quá trình di chuyển điện tích và phóng điện hai lớp điện. Quá trình truyền điện tích xảy ra ở mặt phân cách lẫn nhau của điện cực pha rắn và chất điện phân. Quá trình này tuân theo định luật Faraday nên còn được gọi là quá trình Faraday.
Trong quá trình di chuyển phí, tốc độ truyền phí được phản ánh bởi dòng điện Faraday. Nói chung, quá trình di chuyển điện tích có thể tương đương với một điện trở thuần, được gọi là điện trở bên trong di chuyển điện tích hoặc điện trở Faraday, và được biểu thị bằng R ct.
Quá trình phóng điện của lớp điện kép còn được gọi là quá trình Faraday. Quá trình này cũng xảy ra ở chỗ tiếp giáp của điện cực pha rắn và mặt phân cách chất điện phân pha lỏng, tạo thành một cấu trúc vật lý tương tự như điện dung, do đó hình thành lớp điện kép giao diện của điện cực. Điện dung Cdl đại diện.
Vùng tần số thấp chủ yếu là do quá trình khuếch tán của các ion liti trong các hạt vật chất hoạt động. Khi phản ứng điện hóa xảy ra, dòng điện Faradaic chạy qua mặt phân cách giữa điện cực pha rắn và chất điện phân, dẫn đến tiêu hao chất phản ứng và tích tụ các sản phẩm trên bề mặt phân cách, dẫn đến sự chênh lệch nồng độ giữa pha rắn và pha lỏng.
Theo lý thuyết điện cực xốp, điện cực pha rắn được giả định là các hạt hình cầu có độ xốp nhất định. Khi phản ứng tiếp tục, sự tích tụ của các chất bên trong các hạt sẽ tăng lên, gradien nồng độ của các chất bên trong và bên ngoài bề mặt phân cách sẽ giảm, và tốc độ khuếch tán của các chất sẽ giảm. chậm.
Khi chất trên điện cực khuếch tán từ từ sang trạng thái ổn định thì xảy ra hiện tượng phân cực nồng độ ổn định, tức là hiện tượng phân cực gây ra bởi sự chênh lệch phân bố nồng độ ion lithium bên trong pin.
Nói chung, trở kháng khuếch tán bán vô hạn Trở kháng Weber ZW có thể được sử dụng để biểu diễn quá trình khuếch tán. Xét các yếu tố hình học của bề mặt điện cực và sự tồn tại của sự hấp phụ, nó cũng được biểu diễn bằng phần tử pha không đổi, được biểu thị bằng ký hiệu ZD.
Bởi vì dải thử nghiệm của EIS là 100 kHz - 0.01 Hz, không có thay đổi nào trong cấu trúc tinh thể của các hạt vật chất hoạt động trong vùng tần số rất thấp hoặc hình bán nguyệt liên quan đến sự hình thành các pha mới trong phổ EIS. Như thể hiện trong hình 9, với sự hỗ trợ của phần mềm phân tích phổ trở kháng AC ZView, các thông số trở kháng của pin R0, RSEI và Rct được lắp và xác định, và ba giá trị trở kháng có thể được tính toán và thu được theo phương ngang trục của phổ trở kháng.
Trở kháng sẽ tăng khi nhiệt độ giảm, trong đó R0 và RSEI thay đổi tương đối thuận lợi với nhiệt độ, và giá trị trở kháng tăng ít hơn khi nhiệt độ giảm. Nhưng Rct sẽ tăng đáng kể khi nhiệt độ giảm. Vì R0 và RSEI chủ yếu bị ảnh hưởng bởi độ dẫn ion trong chất điện phân, quy luật thay đổi nhiệt độ tương tự như quy luật về độ dẫn ion của chất điện ly theo nhiệt độ.
Nói chung, để giải quyết các vấn đề của các phương tiện năng lượng mới hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp, chúng ta phải bắt đầu với hiệu suất của pin năng lượng lithium-ion.
Nhắm vào các yếu tố bất lợi của nhiệt độ thấp của pin lithium, nhóm kỹ sư pin lithium Keheng đã phát triển chức năng tự làm nóng pin trong môi trường nhiệt độ thấp và cực lạnh, có thể giải quyết hiệu quả khuyết điểm này của pin lithium. Tự làm nóng là một chức năng tùy chọn của pin chu kỳ sâu lithium iron phosphate. Tất cả các pin lithium iron phosphate của Keheng có thể được trang bị chức năng tự sưởi ấm, cũng như chức năng Bluetooth và chức năng giám sát APP điện thoại di động hệ thống BMS.
Keheng pin tự làm nóng
Kích hoạt sưởi ấm nhiệt độ thấp 100AH 12V
