Depuis leur introduction sur le marché, les batteries lithium-ion ont été largement utilisées en raison de leur longue durée de vie, de leur densité d’énergie élevée et de leur manque d’effet mémoire. Cependant, l’utilisation à basse température des batteries lithium-ion pose des défis tels qu’une capacité réduite, une dégradation sévère, de mauvaises performances cyclables, des précipitations prononcées de lithium et un déséquilibre du lithium pendant la charge et la décharge. À mesure que les domaines d’application continuent de s’étendre, les limites imposées par les mauvaises performances à basse température des batteries lithium-ion deviennent de plus en plus évidentes.
Selon les rapports, la capacité de décharge des batteries lithium-ion diminue à environ 31,5 % de sa valeur de température ambiante à -20 °C. Les batteries lithium-ion traditionnelles fonctionnent généralement dans la plage de température de -20 °C à +55 °C. Cependant, dans des industries telles que l’aérospatiale, l’armée et les véhicules électriques, il est nécessaire que les batteries fonctionnent correctement à -40 °C. Par conséquent, l’amélioration des propriétés à basse température des batteries lithium-ion est d’une grande importance.
1.Les facteurs limitant les performances à basse température des batteries lithium-ion comprennent :
un. Dans les environnements à basse température, la viscosité de l’électrolyte augmente et, dans certains cas, il peut même se solidifier partiellement, ce qui entraîne une diminution de la conductivité des batteries lithium-ion.
b.In les environnements à basse température, la compatibilité entre l’électrolyte, l’électrode négative et le séparateur se détériore.
c. Dans les environnements à basse température, les batteries lithium-ion subissent de fortes précipitations de lithium sur l’électrode négative. Leprécipité Le lithium métallique réagit avec l’électrolyte, entraînant le dépôt de produits de réaction et une augmentation de l’épaisseur de la couche SEI.
d. Dans les environnements à basse température, le système de diffusion dans les matériaux actifs des batteries lithium-ion diminue, ce qui entraîne une augmentation significative de l’impédance de transfert de charge (Rct).
2.Discussion sur les facteurs affectant les performances à basse température des batteries lithium-ion
Avis d’expert 1 : L’électrolyte a le plus grand impact sur les performances à basse température des batteries lithium-ion. La composition et les propriétés physico-chimiques de l’électrolyte jouent un rôle crucial dans les performances à basse température de la batterie. Les défis rencontrés par les batteries lors des cycles à basse température sont principalement attribués à l’augmentation de la viscosité de l’électrolyte, qui ralentit la conductivité ionique et entraîne un décalage entre la migration des électrons dans le circuit externe. Par conséquent, la batterie subit une polarisation sévère et une diminution significative de la capacité de charge-décharge. En particulier lors de la charge à basse température, les dendrites lithium-ion ont tendance à se former à la surface de l’électrode négative, entraînant une défaillance de la batterie.
Les performances à basse température de l’électrolyte sont étroitement liées à sa propre conductivité électrique. Un électrolyte à haute conductivité permet un transport rapide des ions et permet une capacité plus élevée à basse température. Plus la dissociation des sels de lithium dans l’électrolyte est importante, plus le nombre d’ions migrateurs est élevé et donc plus la conductivité est élevée. Une conductivité plus élevée entraîne une conduction ionique plus rapide, ce qui entraîne une polarisation réduite et de meilleures performances de la batterie à basse température. Par conséquent, une conductivité électrique plus élevée est une condition nécessaire pour obtenir de bonnes performances à basse température dans les batteries lithium-ion.
La conductivité électrique de l’électrolyte est influencée par sa composition, et la réduction de la viscosité du solvant est un moyen d’améliorer la conductivité de l’électrolyte. Une bonne fluidité du solvant à basse température garantit un transport efficace des ions. De plus, le SEI formé sur l’électrode négative à basse température joue un rôle crucial dans la conduction des ions lithium. La résistance du SEI (RSEI) est la principale impédance affectant la conduction lithium-ion dans les environnements à basse température.
Avis d’expert 2 : Le principal facteur limitant les performances à basse température des batteries lithium-ion est l’augmentation significative de l’impédance de diffusion Li+ à basse température, plutôt que le film SEI.
3. Caractéristiques à basse température des matériaux de cathode de batterie lithium-ion
3.1 Caractéristiques à basse température des matériaux de cathode en couches
Les matériaux de cathode en couches, qui possèdent à la fois les performances de vitesse des canaux de diffusion ioniques au lithium-ion unidimensionnels et la stabilité structurelle des canaux tridimensionnels, ont été parmi les premiers matériaux de cathode de batterie lithium-ion utilisés commercialement. Les matériaux représentatifs comprennent le LiCoO2, le Li(Co1-xNix)O2 et le Li(Ni,Co,Mn)O2.
Xie Xiaohua et al. ont mené une étude sur LiCoO2/MCMB (microbilles de mésocarbone) pour étudier ses caractéristiques de charge et de décharge à basse température.
Les résultats ont montré qu’à mesure que la température diminuait, le plateau de décharge diminuait de 3,762 V (0 °C) à 3,207 V (-30 °C). La capacité totale de la batterie a également considérablement diminué, passant de 78,98 mA·h (0°C) à 68,55 mA·h (-30°C).
3.2 Caractéristiques à basse température des matériaux de cathode de spinelle
Les matériaux de cathode LiMn2O4 structurés en spinelle présentent les avantages d’un faible coût et d’une non-toxicité en raison de l’absence d’éléments Co.
Cependant, l’état de valence variable du manganèse (Mn) et l’effet Jahn-Teller du Mn3+ entraînent une instabilité structurelle et une faible réversibilité de ce composant.
Peng Zhengshun et al. ont souligné que différentes méthodes de préparation ont un impact significatif sur les performances électrochimiques des matériaux de cathode LiMn2O4, comme l’illustre la Rct (résistance au transfert de charge). Le LiMn2O4 synthétisé par la méthode à l’état solide à haute température présente un Rct significativement plus élevé par rapport à celui synthétisé par la méthode sol-gel, et ce phénomène se reflète également dans le coefficient de diffusion des ions lithium. La raison principale en est l’influence significative des différentes méthodes de synthèse sur la cristallinité et la morphologie des produits résultants.
3.3 Caractéristiques à basse température des matériaux de cathode à base de phosphate
LiFePO4, en raison de son excellente stabilité volumétrique et de sa sécurité, est devenu un matériau de cathode dominant pour les batteries de puissance actuelles, aux côtés des matériaux ternaires. Les mauvaises performances à basse température du phosphate de fer lithium (LiFePO4) sont principalement attribuées à sa nature isolante intrinsèque, à sa faible conductivité électronique et à sa faible diffusion des ions lithium. À basse température, la conductivité du LiFePO4 est réduite, ce qui entraîne une résistance interne accrue, des effets de polarisation significatifs et des processus de charge-décharge entravés. De ce fait, les performances à basse température des batteries LiFePO4 ne sont pas idéales.
4. Caractéristiques à basse température des matériaux d’anode de batterie lithium-ion
Par rapport aux matériaux de cathode, la détérioration à basse température des matériaux d’anode des batteries lithium-ion est plus grave, principalement pour les trois raisons suivantes :
- Lors de charges à haut débit et de décharges à basse température, la batterie subit une polarisation sévère, entraînant le dépôt d’une grande quantité de lithium métallique à la surface de l’anode. Les produits de réaction entre le lithium métallique et l’électrolyte ne présentent généralement pas de conductivité.
- D’un point de vue thermodynamique, l’électrolyte contient des groupes polaires tels que C-O et C-N, qui peuvent réagir avec le matériau de l’anode, formant un film d’interphase électrolytique solide (SEI) plus sensible aux effets à basse température.
- Les anodes en carbone rencontrent des difficultés d’insertion du lithium à basse température, ce qui entraîne une asymétrie de charge et de décharge.

5. Recherche sur les électrolytes à basse température
Caractéristiques à basse température des électrolytes à base d’EC Par rapport aux carbonates linéaires, les carbonates cycliques ont une structure plus compacte et des forces intermoléculaires plus fortes, ce qui entraîne des points de fusion et des viscosités plus élevés. Cependant, la structure cyclique des carbonates conduit souvent à une polarité élevée et à une grande constante diélectrique. La constante diélectrique élevée du solvant EC, ainsi que sa conductivité ionique élevée et ses excellentes propriétés filmogènes, empêchent efficacement l’intercalation des molécules de solvant. Par conséquent, la CE joue un rôle indispensable dans les systèmes d’électrolyte à basse température. Par conséquent, les systèmes d’électrolytes à basse température couramment utilisés sont principalement basés sur l’EC, combinée à des solvants à petites molécules à faible point de fusion.
Le sel de lithium est un composant essentiel de l’électrolyte. Le sel de lithium améliore non seulement la conductivité ionique de la solution, mais réduit également la distance de diffusion des ions Li+ dans la solution. En général, plus la concentration de Li+ dans la solution est élevée, plus la conductivité ionique est élevée. Cependant, la relation entre la concentration en ions lithium et la concentration en sel de lithium dans l’électrolyte n’est pas linéaire mais parabolique. En effet, la concentration d’ions lithium dans le solvant dépend de l’intensité des réactions de dissociation et de complexation du sel de lithium dans le solvant.
6. Résumé
Pour garantir les performances à basse température des batteries lithium-ion, plusieurs points clés sont à prendre en compte :
un. Formation d’un film d’interphase électrolytique solide (SEI) mince et dense.
b. Assurer un coefficient de diffusion élevé pour les ions Li+ au sein des matériaux actifs.
c. Conductivité ionique élevée de l’électrolyte à basse température.