Зі стрімким розвитком електромобілів у всьому світі розмір ринку електромобілів сягнув 1 трильйона доларів у 2020 році та продовжуватиме зростати зі швидкістю понад 20% на рік у майбутньому.Таким чином, електричні транспортні засоби як основний вид транспорту, вимоги до продуктивності акумуляторів будуть дедалі вищими, і не слід ігнорувати вплив розпаду акумулятора на продуктивність акумулятора в умовах низьких температур.Основними причинами розкладання батареї в умовах низьких температур є: По-перше, низька температура впливає на малий внутрішній опір батареї, площа термічної дифузії велика, і внутрішній опір батареї збільшується.По-друге, ємність передачі заряду акумулятора всередині та поза ним погана, деформація батареї відбудеться, коли локальна незворотна поляризація.По-третє, низька температура молекулярного руху електроліту відбувається повільно, і його важко розповсюдити в часі, коли температура підвищується.Тому низькотемпературний розпад батареї є серйозним, що призводить до серйозного погіршення продуктивності батареї.
1、Стан технології низькотемпературної батареї
Технічні та матеріальні вимоги до літій-іонних акумуляторів, виготовлених при низьких температурах, є високими.Серйозне погіршення продуктивності літій-іонної батареї живлення в середовищі з низькою температурою пов’язане зі збільшенням внутрішнього опору, що призводить до труднощів дифузії електроліту та скорочення життєвого циклу елемента.Таким чином, дослідження технології низькотемпературних акумуляторів досягли певного прогресу за останні роки.Традиційні високотемпературні літій-іонні батареї мають низьку продуктивність при високій температурі, і їх продуктивність все ще нестабільна в умовах низьких температур;великий об’єм низькотемпературних комірок, низька місткість і погана продуктивність низькотемпературного циклу;поляризація значно сильніша при низькій температурі, ніж при високій;підвищена в'язкість електроліту при низькій температурі призводить до зменшення кількості циклів заряду/розряду;знижена безпека елементів і скорочений термін служби батареї при низькій температурі;і зниження продуктивності під час використання при низькій температурі.Крім того, короткий термін служби батареї при низькій температурі та ризики для безпеки низькотемпературних елементів висунули нові вимоги до безпеки акумуляторів.Таким чином, розробка стабільних, безпечних, надійних і довговічних матеріалів для акумуляторних батарей для низькотемпературних середовищ є центром досліджень низькотемпературних літій-іонних батарей.На даний момент існує кілька матеріалів для низькотемпературних літій-іонних акумуляторів: (1) анодні металеві літієві матеріали: металевий літій широко використовується в електричних транспортних засобах через його високу хімічну стабільність, високу електропровідність і продуктивність при низьких температурах заряду та розряду;(2) вуглецеві анодні матеріали широко використовуються в електричних транспортних засобах через їх гарну термостійкість, продуктивність при низьких температурах, низьку електропровідність і термін служби при низьких температурах;(3) вуглецеві анодні матеріали широко використовуються в електричних транспортних засобах через їх гарну термостійкість, продуктивність при низьких температурах, низьку електропровідність і термін служби при низьких температурах.в;(3) органічні електроліти мають гарну продуктивність при низькій температурі;(4) полімерні електроліти: полімерні молекулярні ланцюги відносно короткі та мають високу спорідненість;(5) неорганічні матеріали: неорганічні полімери мають хороші параметри продуктивності (провідність) і хорошу сумісність між активністю електроліту;(6) оксидів металів менше;(7) неорганічні матеріали: неорганічні полімери тощо.
2、Вплив низької температури на літієву батарею
Тривалість циклу літієвих батарей залежить головним чином від процесу розряду, тоді як низька температура є фактором, який має більший вплив на термін служби літієвих виробів.Зазвичай при низькій температурі поверхня батареї зазнає фазових змін, що спричиняє пошкодження структури поверхні, що супроводжується зменшенням ємності та ємності елемента.В умовах високої температури в комірці утворюється газ, який прискорить теплову дифузію;при низькій температурі газ не може бути розряджений вчасно, прискорюючи зміну фази акумуляторної рідини;чим нижча температура, тим більше газу утворюється і тим повільніша зміна фази акумуляторної рідини.Таким чином, зміна внутрішнього матеріалу батареї є більш різкою та складною за низької температури, і легше утворювати гази та тверді речовини всередині матеріалу батареї;в той же час низька температура призведе до ряду деструктивних реакцій, таких як необоротний розрив хімічного зв'язку на межі розділу між матеріалом катода та електролітом;це також призведе до скорочення самоскладання електроліту та терміну служби циклу;здатність іонів літію передавати заряд до електроліту буде знижена;процес заряджання та розряджання спричинить низку ланцюгових реакцій, таких як явище поляризації під час перенесення заряду літій-іонного акумулятора, зменшення ємності акумулятора та вивільнення внутрішньої напруги, що впливає на термін служби та щільність енергії літій-іонних акумуляторів та інші функції.Чим нижча температура при низькій температурі, тим інтенсивніші та складніші різні деструктивні реакції, такі як окислювально-відновна реакція на поверхні батареї, теплова дифузія, зміна фази всередині елемента та навіть повне руйнування, у свою чергу, викличуть низку ланцюгових реакцій, таких як електроліт самозбірки, чим повільніша швидкість реакції, тим серйозніший спад ємності батареї та гірша здатність літієвих іонів до міграції заряду при високій температурі.
3、 Низька температура на перспективи розвитку технології літієвих батарей
Низька температура навколишнього середовища погіршить безпеку, циклічний термін служби та стабільність температури елемента батареї, і вплив низької температури на термін служби літієвих батарей не можна ігнорувати.В даний час дослідження та розробки технології низькотемпературної батареї з використанням діафрагми, електроліту, матеріалів позитивного та негативного електродів та інших методів досягли певного прогресу.У майбутньому розробку технології низькотемпературної літієвої батареї слід покращити з таких аспектів: (1) розробка системи матеріалу літієвої батареї з високою щільністю енергії, тривалим терміном служби, низьким загасанням, малим розміром і низькою вартістю при низькій температурі ;(2) безперервне вдосконалення контролю внутрішнього опору батареї за допомогою структурного проектування та технології підготовки матеріалів;(3) при розробці високоємної недорогої літієвої батареї необхідно звернути увагу на електролітні добавки, літій-іон, анодний і катодний інтерфейс, внутрішній активний матеріал та інші ключові фактори впливу;(4) покращення продуктивності циклу батареї (питома енергія заряду та розряду), термічної стабільності батареї в умовах низької температури, безпеки літієвих батарей у середовищі з низькою температурою та інших напрямів розвитку технологій акумуляторів;(5) розробити високу ефективність безпеки, високу вартість і низьку вартість рішень систем живлення акумуляторів в умовах низьких температур;(6) розробляти продукти, пов’язані з низькотемпературними акумуляторами, і сприяти їх застосуванню;(7) розробляти високоефективні, стійкі до низьких температур акумуляторні матеріали та технології пристроїв.
Звичайно, на додаток до вищезазначених напрямків досліджень, існує також багато напрямків досліджень для подальшого покращення продуктивності батареї в умовах низьких температур, підвищення щільності енергії низькотемпературних батарей, зменшення деградації батареї в умовах низької температури, продовження терміну служби батареї та інші дослідження прогрес;але більш важливим питанням є те, як досягти високої продуктивності, високої безпеки, низької вартості, великого радіусу дії, тривалого терміну служби та дешевої комерціалізації акумуляторів за умов низьких температур. Дослідження повинні зосередитися на прориві та вирішенні проблеми.
Час публікації: 22 листопада 2022 р