¿Por qué disminuye la capacidad de las baterías de litio en invierno? – Tecnología Taipú

Desde su introducción en el mercado, las baterías de iones de litio han ganado una aplicación generalizada debido a su larga vida útil, alta densidad de energía y falta de efecto de memoria. Sin embargo, el uso a baja temperatura de las baterías de iones de litio plantea desafíos como la reducción de la capacidad, la degradación severa, el rendimiento de ciclo deficiente, la precipitación pronunciada de litio y el desequilibrio del litio durante la carga y descarga. Como la aplicación ...

¿Por qué disminuye la capacidad de las baterías de litio en invierno?

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Desde su introducción en el mercado, las baterías de iones de litio han ganado una aplicación generalizada debido a su larga vida útil, alta densidad de energía y falta de efecto de memoria. Sin embargo, el uso a baja temperatura de las baterías de iones de litio plantea desafíos como la reducción de la capacidad, la degradación severa, el rendimiento de ciclo deficiente, la precipitación pronunciada de litio y el desequilibrio del litio durante la carga y descarga. A medida que las áreas de aplicación continúan expandiéndose, las limitaciones impuestas por el bajo rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio se vuelven cada vez más evidentes.

Según los informes, la capacidad de descarga de las baterías de iones de litio disminuye a aproximadamente el 31,5% de su valor a temperatura ambiente a -20 °C. Las baterías tradicionales de iones de litio suelen funcionar en el rango de temperatura de -20 °C a +55 °C. Sin embargo, en industrias como la aeroespacial, militar y los vehículos eléctricos, es necesario que las baterías funcionen correctamente a -40 °C. Por lo tanto, mejorar las propiedades a baja temperatura de las baterías de iones de litio es de gran importancia.

1. Los factores que restringen el rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio incluyen:

un. En entornos de baja temperatura, la viscosidad del electrolito aumenta y, en algunos casos, incluso puede solidificarse parcialmente, lo que resulta en una disminución de la conductividad de las baterías de iones de litio.

b.In entornos de baja temperatura, la compatibilidad entre el electrolito, el electrodo negativo y el separador se deteriora.

c. En entornos de baja temperatura, las baterías de iones de litio experimentan una precipitación severa de litio en el electrodo negativo. ElPrecipitado El litio metálico reacciona con el electrolito, lo que provoca la deposición de productos de reacción y un aumento del espesor de la capa SEI.

d. En entornos de baja temperatura, el sistema de difusión dentro de los materiales activos de las baterías de iones de litio disminuye, lo que lleva a un aumento significativo en la impedancia de transferencia de carga (Rct).

2. Discusión sobre los factores que afectan el rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio

Opinión de experto 1: El electrolito tiene el mayor impacto en el rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio. La composición y las propiedades fisicoquímicas del electrolito juegan un papel crucial en el rendimiento de la batería a baja temperatura. Los retos a los que se enfrentan las baterías durante los ciclos a baja temperatura se atribuyen principalmente al aumento de la viscosidad del electrolito, que ralentiza la conductividad iónica y da lugar a un desajuste entre la migración de electrones en el circuito externo. En consecuencia, la batería experimenta una polarización severa y una disminución significativa en la capacidad de carga-descarga. Particularmente durante la carga a baja temperatura, las dendritas de iones de litio son propensas a formarse en la superficie del electrodo negativo, lo que provoca la falla de la batería.

El rendimiento a baja temperatura del electrolito está estrechamente relacionado con su propia conductividad eléctrica. Un electrolito con alta conductividad permite un transporte rápido de iones y permite una mayor capacidad a bajas temperaturas. Cuanto mayor sea la disociación de las sales de litio en el electrolito, mayor será el número de iones migratorios y, por lo tanto, mayor será la conductividad. Una conductividad más alta conduce a una conducción de iones más rápida, lo que resulta en una polarización reducida y un mejor rendimiento de la batería a bajas temperaturas. Por lo tanto, una conductividad eléctrica más alta es una condición necesaria para lograr un buen rendimiento a baja temperatura en las baterías de iones de litio.

La conductividad eléctrica del electrolito está influenciada por su composición, y la reducción de la viscosidad del solvente es una forma de mejorar la conductividad del electrolito. La buena fluidez del disolvente a bajas temperaturas garantiza un transporte eficiente de iones. Además, el SEI formado en el electrodo negativo a bajas temperaturas juega un papel crucial en la conducción de iones de litio. La resistencia del SEI (RSEI) es la principal impedancia que afecta a la conducción de iones de litio en entornos de baja temperatura.

Opinión del experto 2: El principal factor que limita el rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio es el aumento significativo de la impedancia de difusión de Li+ a bajas temperaturas, en lugar de la película SEI.

3. Características a baja temperatura de los materiales del cátodo de la batería de iones de litio

3.1 Características a baja temperatura de los materiales catódicos estratificados

Los materiales de cátodo en capas, que poseen tanto el rendimiento de velocidad de los canales de difusión de iones de litio unidimensionales como la estabilidad estructural de los canales tridimensionales, se encuentran entre los primeros materiales de cátodo de batería de iones de litio utilizados comercialmente. Los materiales representativos incluyen LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 y Li(Ni,Co,Mn)O2.

Xie Xiaohua et al. realizaron un estudio sobre LiCoO2/MCMB (microperlas de mesocarbono) para investigar sus características de carga y descarga a baja temperatura.

Los resultados mostraron que, a medida que disminuía la temperatura, la meseta de descarga disminuyó de 3,762 V (0 °C) a 3,207 V (-30 °C). La capacidad total de la batería también disminuyó significativamente de 78,98 mA·h (0 °C) a 68,55 mA·h (-30 °C).

3.2 Características a baja temperatura de los materiales catódicos de espinela

Los materiales del cátodo LiMn2O4 estructurados con espinela tienen las ventajas de ser de bajo costo y no toxicidad debido a la ausencia de elementos Co.

Sin embargo, el estado de valencia variable del manganeso (Mn) y el efecto Jahn-Teller del Mn3+ dan lugar a inestabilidad estructural y poca reversibilidad de este componente.

Peng Zhengshun et al. señalaron que los diferentes métodos de preparación tienen un impacto significativo en el rendimiento electroquímico de los materiales catódicos de LiMn2O4, como lo ejemplifica el Rct (resistencia a la transferencia de carga). El LiMn2O4 sintetizado por el método de estado sólido a alta temperatura exhibe un Rct significativamente mayor en comparación con el sintetizado por el método sol-gel, y este fenómeno también se refleja en el coeficiente de difusión de iones de litio. La razón principal de esto es la influencia significativa de los diferentes métodos de síntesis en la cristalinidad y morfología de los productos resultantes.

3.3 Características a baja temperatura de los materiales catódicos a base de fosfato

LiFePO4, debido a su excelente estabilidad volumétrica y seguridad, se ha convertido en un material catódico dominante para las baterías de potencia actual, junto con los materiales ternarios. El pobre rendimiento a baja temperatura del fosfato de hierro y litio (LiFePO4) se atribuye principalmente a su naturaleza aislante intrínseca, su baja conductividad electrónica y su escasa difusión de iones de litio. A bajas temperaturas, la conductividad de LiFePO4 se reduce, lo que provoca un aumento de la resistencia interna, importantes efectos de polarización y obstaculización de los procesos de carga-descarga. Como resultado, el rendimiento a baja temperatura de las baterías LiFePO4 no es ideal.

4. Características de baja temperatura de los materiales del ánodo de la batería de iones de litio

En comparación con los materiales catódicos, el deterioro a baja temperatura de los materiales del ánodo de la batería de iones de litio es más grave, principalmente debido a las siguientes tres razones:

  • Durante la carga y descarga a baja temperatura, la batería experimenta una polarización severa, lo que lleva a la deposición de una gran cantidad de litio metálico en la superficie del ánodo. Los productos de reacción entre el litio metálico y el electrolito generalmente no exhiben conductividad.
  • Desde una perspectiva termodinámica, el electrolito contiene grupos polares como C-O y C-N, que pueden reaccionar con el material del ánodo, formando una película sólida de interfase de electrolito (SEI) que es más susceptible a los efectos de baja temperatura.
  • Los ánodos de carbono enfrentan dificultades en la inserción de litio a bajas temperaturas, lo que resulta en asimetrías de carga y descarga.

5. Investigación sobre electrolitos de baja temperatura

Características a baja temperatura de los electrolitos basados en EC En comparación con los carbonatos lineales, los carbonatos cíclicos tienen una estructura más compacta y fuerzas intermoleculares más fuertes, lo que resulta en puntos de fusión y viscosidades más altos. Sin embargo, la estructura cíclica de los carbonatos a menudo conduce a una alta polaridad y una gran constante dieléctrica. La alta constante dieléctrica del disolvente EC, junto con su alta conductividad iónica y sus excelentes propiedades de formación de película, evita eficazmente la intercalación de las moléculas de disolvente. Como resultado, la EC desempeña un papel indispensable en los sistemas de electrolitos de baja temperatura. Por lo tanto, los sistemas de electrolitos de baja temperatura comúnmente utilizados se basan principalmente en EC, combinado con solventes de moléculas pequeñas de bajo punto de fusión.

La sal de litio es un componente esencial del electrolito. La sal de litio no solo mejora la conductividad iónica de la solución, sino que también reduce la distancia de difusión de los iones Li+ en la solución. Generalmente, cuanto mayor sea la concentración de Li+ en la solución, mayor será la conductividad iónica. Sin embargo, la relación entre la concentración de iones de litio y la concentración de sal de litio en el electrolito no es lineal sino parabólica. Esto se debe a que la concentración de iones de litio en el solvente depende de la fuerza de las reacciones de disociación y complejación de la sal de litio en el solvente.

6. Resumen

Para garantizar el rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio, se deben tener en cuenta varios puntos clave:

un. Formación de una película delgada y densa de interfase de electrolito sólido (SEI).

b. Asegurando un gran coeficiente de difusión de los iones Li+ dentro de los materiales activos.

c. Alta conductividad iónica del electrolito a bajas temperaturas.

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