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 rezystancji wewnętrznej, co prowadzi do trudności w dyfuzji elektrolitu i skrócenia cyklu życia 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 kompatybilność 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 żywotność cyklu 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, trwałość cyklu i stabilność temperatury ogniwa akumulatora, a wpływu niskiej temperatury na żywotność akumulatorów litowych nie można zignorować.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 strukturalne i technologię przygotowania materiałów;(3) przy opracowywaniu niedrogiego 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