Wraz z szybkim rozwojem pojazdów elektrycznych na całym świecie, wielkość rynku pojazdów elektrycznych osiągnie w 2020 r. 1 bilion dolarów i w przyszłości będzie nadal rosła w tempie ponad 20% rocznie. W związku z tym, że pojazdy elektryczne są głównym środkiem transportu, wymagania dotyczące wydajności akumulatorów zasilających będą coraz wyższe i nie należy ignorować wpływu rozpadu akumulatorów na ich wydajność w środowiskach o niskiej temperaturze. Głównymi przyczynami degradacji akumulatora w środowiskach o niskiej temperaturze są: Po pierwsze, niska temperatura wpływa na mały opór wewnętrzny akumulatora, obszar dyfuzji ciepła jest duży, a opór wewnętrzny akumulatora wzrasta. Po drugie, zdolność przenoszenia ładunku wewnątrz i na zewnątrz akumulatora jest słaba, a odkształcenie akumulatora nastąpi w przypadku lokalnej nieodwracalnej polaryzacji. Po trzecie, niska temperatura ruchu molekularnego elektrolitu jest powolna i trudna do rozproszenia w czasie, gdy temperatura wzrasta. Dlatego też zanik baterii w niskiej temperaturze jest poważny i powoduje poważne pogorszenie jej wydajności.
1. Stan technologii akumulatorów niskotemperaturowych
Wymagania techniczne i materiałowe akumulatorów litowo-jonowych przygotowywanych w niskich temperaturach są wysokie. Poważne pogorszenie wydajności akumulatora litowo-jonowego w środowisku o niskiej temperaturze wynika ze wzrostu oporu wewnętrznego, co prowadzi do trudności w dyfuzji elektrolitu i skrócenia żywotności cyklu ogniwa. Dlatego w ostatnich latach poczyniono pewne postępy w badaniach nad technologią akumulatorów niskotemperaturowych. Tradycyjne wysokotemperaturowe akumulatory litowo-jonowe mają słabą wydajność w wysokich temperaturach, a ich wydajność jest nadal niestabilna w warunkach niskich temperatur; duża objętość ogniw niskotemperaturowych, mała pojemność i słaba wydajność cyklu niskotemperaturowego; polaryzacja jest znacznie silniejsza w niskiej temperaturze niż w wysokiej; zwiększona lepkość elektrolitu w niskiej temperaturze prowadzi do zmniejszenia liczby cykli ładowania/rozładowania; zmniejszone bezpieczeństwo ogniw i zmniejszona żywotność baterii w niskiej temperaturze; i zmniejszoną wydajność podczas stosowania w niskiej temperaturze. Ponadto krótki cykl życia akumulatora w niskiej temperaturze oraz zagrożenia dla bezpieczeństwa związane z ogniwami niskotemperaturowymi stworzyły nowe wymagania w zakresie bezpieczeństwa akumulatorów zasilających. Dlatego też badania nad niskotemperaturowymi akumulatorami litowo-jonowymi skupiają się na opracowaniu stabilnych, bezpiecznych, niezawodnych i trwałych materiałów akumulatorowych do środowisk niskotemperaturowych. Obecnie istnieje kilka niskotemperaturowych materiałów na akumulatory litowo-jonowe: (1) materiały na anody litowo-metalowe: lit metaliczny jest szeroko stosowany w pojazdach elektrycznych ze względu na jego wysoką stabilność chemiczną, wysoką przewodność elektryczną oraz wydajność ładowania i rozładowywania w niskich temperaturach; (2) materiały anod węglowych są szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych ze względu na ich dobrą odporność na ciepło, wydajność w cyklach niskotemperaturowych, niską przewodność elektryczną i trwałość w cyklach niskotemperaturowych w niskich temperaturach; (3) Materiały anod węglowych są szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych ze względu na ich dobrą odporność na ciepło, wydajność w cyklach niskotemperaturowych, niską przewodność elektryczną i trwałość w cyklach niskotemperaturowych. W; (3) elektrolity organiczne mają dobrą wydajność w niskiej temperaturze; (4) elektrolity polimerowe: łańcuchy molekularne polimerów są stosunkowo krótkie i mają duże powinowactwo; (5) materiały nieorganiczne: polimery nieorganiczne mają dobre parametry użytkowe (przewodność) i dobrą zgodność pomiędzy aktywnością elektrolitu; (6) tlenków metali jest mniej; (7) materiały nieorganiczne: polimery nieorganiczne itp.
2. Wpływ środowiska o niskiej temperaturze na baterię litową
Cykl życia akumulatorów litowych zależy głównie od procesu rozładowywania, natomiast niska temperatura jest czynnikiem mającym większy wpływ na żywotność produktów litowych. Zwykle w środowisku o niskiej temperaturze powierzchnia akumulatora ulega przemianie fazowej, powodując uszkodzenie struktury powierzchni, czemu towarzyszy zmniejszenie pojemności i pojemności ogniwa. W warunkach wysokiej temperatury w ogniwie wytwarza się gaz, który przyspiesza dyfuzję cieplną; w niskiej temperaturze gaz nie może zostać rozładowany na czas, przyspieszając zmianę fazy cieczy akumulatorowej; im niższa temperatura, tym więcej gazu się wytwarza i wolniejsza jest zmiana fazowa cieczy akumulatorowej. Dlatego też wewnętrzna zmiana materiału akumulatora jest bardziej drastyczna i złożona w niskiej temperaturze, a wewnątrz materiału akumulatora łatwiej jest wytworzyć gazy i ciała stałe; jednocześnie niska temperatura doprowadzi do szeregu destrukcyjnych reakcji, takich jak nieodwracalne zerwanie wiązań chemicznych na styku materiału katody i elektrolitu; doprowadzi to również do zmniejszenia samoorganizacji i trwałości cyklu elektrolitu; zdolność przenoszenia ładunku jonów litu do elektrolitu zostanie zmniejszona; proces ładowania i rozładowywania spowoduje szereg reakcji łańcuchowych, takich jak zjawisko polaryzacji podczas przenoszenia ładunku litowo-jonowego, spadek pojemności akumulatora i uwalnianie naprężeń wewnętrznych, co wpływa na cykl życia i gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych i inne funkcje. Im niższa temperatura w niskiej temperaturze, tym intensywniejsze i bardziej złożone są różne reakcje niszczące, takie jak reakcja redoks na powierzchni akumulatora, dyfuzja cieplna, zmiana fazowa wewnątrz ogniwa, a nawet całkowite zniszczenie, co z kolei wywoła szereg reakcji łańcuchowych, takich jak elektrolit samoorganizacja, im mniejsza jest szybkość reakcji, tym poważniejszy jest spadek pojemności akumulatora i gorsza zdolność migracji ładunku litowo-jonowego w wysokiej temperaturze.
3. Niska temperatura wpływa na postęp badań nad technologią akumulatorów litowych
W środowisku o niskiej temperaturze będzie to miało wpływ na bezpieczeństwo, żywotność i stabilność temperatury ogniwa akumulatora, a także nie można ignorować wpływu niskiej temperatury na żywotność akumulatorów litowych. Obecnie poczyniono pewne postępy w badaniach i rozwoju technologii akumulatorów niskotemperaturowych z wykorzystaniem membrany, elektrolitu, materiałów elektrod dodatnich i ujemnych oraz innych metod. W przyszłości należy ulepszyć rozwój technologii niskotemperaturowych akumulatorów litowych w następujących aspektach: (1) rozwój systemu materiałów akumulatorów litowych o dużej gęstości energii, długiej żywotności, niskim tłumieniu, niewielkich rozmiarach i niskich kosztach w niskiej temperaturze ; (2) ciągłe doskonalenie kontroli wewnętrznej rezystancji akumulatora poprzez projektowanie konstrukcyjne i technologię przygotowania materiałów; (3) przy opracowywaniu taniego systemu baterii litowych o dużej pojemności należy zwrócić uwagę na dodatki do elektrolitów, powierzchnię styku jonów litu i anody i katody oraz wewnętrzny materiał aktywny i inne kluczowe czynniki; (4) poprawić wydajność cyklu akumulatora (energia właściwa ładowania i rozładowywania), stabilność termiczną akumulatora w środowisku o niskiej temperaturze, bezpieczeństwo akumulatorów litowych w środowisku o niskiej temperaturze i inne kierunki rozwoju technologii akumulatorów; (5) opracować rozwiązania w zakresie systemów akumulatorów o wysokim poziomie bezpieczeństwa, wysokich kosztach i niskich kosztach w warunkach niskich temperatur; (6) opracowywać produkty związane z akumulatorami niskotemperaturowymi i promować ich zastosowanie; (7) opracować wysokowydajne materiały akumulatorowe i technologię urządzeń odporne na niskie temperatury.
Oczywiście oprócz powyższych kierunków badań istnieje również wiele kierunków badań mających na celu dalszą poprawę wydajności akumulatorów w warunkach niskich temperatur, poprawę gęstości energii akumulatorów niskotemperaturowych, zmniejszenie degradacji akumulatorów w środowiskach o niskich temperaturach, wydłużenie żywotności akumulatorów i inne badania postęp; ale ważniejszą kwestią jest to, jak osiągnąć wysoką wydajność, wysokie bezpieczeństwo, niski koszt, duży zasięg, długą żywotność i niski koszt. Komercjalizacja akumulatorów w warunkach niskich temperatur jest obecnie aktualna. Badania muszą skupić się na przełamaniu i rozwiązaniu problemu.
Czas publikacji: 22 listopada 2022 r