冬になるとリチウム電池の容量が減るのはなぜですか?– タイプーテクノロジー

リチウムイオン電池は、市場投入以来、寿命が長く、エネルギー密度が高く、メモリー効果がないため、広く応用されています。ただし、リチウムイオン電池の低温使用には、容量の減少、深刻な劣化、サイクリング性能の低下、顕著なリチウムの沈殿、充電および放電中のリチウムの不均衡などの課題があります。アプリケーションとして...

冬になるとリチウム電池の容量が減るのはなぜですか?

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リチウムイオン電池は、市場投入以来、長寿命、高エネルギー密度、メモリー効果の欠如により、広く応用されています。ただし、リチウムイオン電池の低温使用には、容量の減少、深刻な劣化、サイクリング性能の低下、顕著なリチウムの沈殿、充電および放電中のリチウムの不均衡などの課題があります。アプリケーション領域が拡大し続けるにつれて、リチウムイオン電池の低温性能の低さによって課せられる制限がますます明らかになります。

報告によると、リチウムイオン電池の放電容量は、-20°Cで室温値の約31.5%に減少します。従来のリチウムイオン電池は通常、-20°C〜 + 55°Cの温度範囲で動作します。ただし、航空宇宙、軍事、電気自動車などの業界では、バッテリーが-40°Cで適切に機能する必要があります。したがって、リチウムイオン電池の低温特性を改善することは非常に重要です。

1.リチウムイオン電池の低温性能を制限する要因には、次のものがあります。

ある。低温環境では、電解液の粘度が上昇し、場合によっては部分的に固化することさえあり、リチウムイオン電池の導電率が低下します。

低温環境 b.In、電解液、負極、セパレータの相溶性が低下します。

低温環境では、リチウムイオン電池は負極に深刻なリチウム沈殿を経験します。ザ沈殿金属リチウムは電解質と反応し、反応生成物の堆積とSEI層の厚さの増加につながります。

d. 低温環境下では、リチウムイオン電池の活物質内の拡散系が減少し、電荷移動インピーダンス(Rct)が著しく増加します。

2.リチウムイオン電池の低温性能に影響を与える要因についての考察

専門家の意見1:電解質は、リチウムイオン電池の低温性能に最も大きな影響を与えます。電解質の組成と物理化学的特性は、バッテリーの低温性能に重要な役割を果たします。低温サイクル中にバッテリーが直面する課題は、主に電解質の粘度の増加に起因し、イオン伝導性が遅くなり、外部回路内の電子移動に不整合が生じます。その結果、バッテリーは深刻な分極化と充放電容量の大幅な減少を経験します。特に低温充電時には、負極の表面にリチウムイオンの樹状突起が形成されやすく、電池の故障につながります。

電解質の低温性能は、電解質自体の電気伝導率と密接に関連しています。導電性の高い電解質は、高速なイオン輸送を可能にし、低温での大容量化を可能にします。電解質中のリチウム塩の解離が大きいほど、移動するイオンの数が多くなり、したがって導電率が高くなります。導電率が高いほどイオン伝導が速くなり、偏光が減少し、低温でのバッテリーの性能が向上します。したがって、リチウムイオン電池で良好な低温性能を達成するためには、より高い電気伝導率が必要な条件です。

電解質の電気伝導率はその組成に影響され、溶媒の粘度を下げることも電解質の伝導性を向上させる方法の一つです。低温での良好な溶媒流動性により、効率的なイオン輸送が保証されます。さらに、低温で負極上に形成されるSEIは、リチウムイオン伝導に重要な役割を果たします。SEI(RSEI)の抵抗は、低温環境でのリチウムイオン伝導に影響を与える主要なインピーダンスです。

専門家の意見2:リチウムイオン電池の低温性能を制限する主な要因は、SEIフィルムではなく、低温でのLi+拡散インピーダンスの大幅な増加です。

3.リチウムイオン電池正極材料の低温特性

3.1 層状正極材の低温特性

1次元リチウムイオン拡散チャネルの速度性能と3次元チャネルの構造安定性の両方を備えた層状カソード材料は、最も早く商業的に使用されたリチウムイオン電池カソード材料の1つでした。代表的な材料としては、LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2、Li(Ni,Co,Mn)O2などがあります。

Xie Xiaohuaらは、LiCoO2/MCMB(Mesocarbon Microbeads)の低温充放電特性を調べるための研究を行いました。

その結果、温度が下がると、放電プラトーは3.762V(0°C)から3.207V(-30°C)に減少することが示されました。バッテリーの総容量も78.98 mA·h(0°C)から68.55 mA·h(-30°C)に大幅に減少しました。

3.2 スピネル正極材の低温特性

スピネル構造のLiMn2O4カソード材料は、Co元素がないため、低コストで毒性がないという利点があります。

しかし、マンガン(Mn)の可変原子価状態とMn3+のヤーン・テラー効果により、この成分の構造的不安定性と可逆性が低下します。

Peng Zhengshunらは、Rct(電荷移動抵抗)に代表されるように、さまざまな調製方法がLiMn2O4カソード材料の電気化学的性能に大きな影響を与えると指摘しました。高温固体法で合成されたLiMn2O4は、ゾルゲル法で合成されたものと比較して有意に高いRctを示し、この現象はリチウムイオン拡散係数にも反映されています。この主な理由は、異なる合成方法が結果として得られる製品の結晶化度と形態に大きく影響することです。

3.3 リン酸塩系カソード材料の低温特性

LiFePO4は、その優れた体積安定性と安全性により、三元材料と並んで、現在のパワーバッテリーの主要なカソード材料となっています。リン酸鉄リチウム(LiFePO4)の低温性能の低さは、主にその固有の絶縁性、低い電子伝導性、およびリチウムイオンの拡散が不十分であることに起因します。低温では、LiFePO4の導電率が低下し、内部抵抗の増加、大きな分極効果、および充放電プロセスの妨げにつながります。その結果、LiFePO4 バッテリーの低温性能は理想的ではありません。

4.リチウムイオン電池負極材料の低温特性

正極材料と比較して、リチウムイオン電池の負極材料の低温劣化は、主に次の3つの理由により深刻です。

  • 低温での高速充電および放電中、バッテリーは激しい分極を受け、アノードの表面に大量の金属リチウムが堆積します。金属リチウムと電解質との間の反応生成物は、一般に導電性を示さない。
  • 熱力学的観点から見ると、電解質にはC-OやC-Nなどの極性基が含まれており、アノード材料と反応して、低温の影響を受けやすい固体電解質界面(SEI)膜を形成します。
  • カーボンアノードは、低温でのリチウム挿入が困難であり、充電と放電の非対称性が生じます。

5.低温電解質の研究

EC系電解質の低温特性 環状カーボネートは、線状カーボネートと比較して、よりコンパクトな構造と強い分子間力を持つため、融点と粘度が高くなります。しかしながら、炭酸塩の環状構造は、しばしば高い極性および大きな誘電率をもたらす。EC溶媒の高い誘電率と、高いイオン伝導性、優れた成膜性により、溶媒分子のインターカレーションを効果的に防ぎます。そのため、低温電解質システムにおいてECは欠かせない役割を果たしています。したがって、一般的に使用される低温電解質システムは、ほとんどがECに基づいており、低融点の低分子溶媒と組み合わされています。

リチウム塩は電解質の必須成分です。リチウム塩は、溶液のイオン伝導性を高めるだけでなく、溶液中のLi +イオンの拡散距離を短縮します。一般に、溶液中のLi +濃度が高いほど、イオン伝導性は高くなります。ただし、電解質中のリチウムイオン濃度とリチウム塩濃度の関係は線形ではなく放物線状です。これは、溶媒中のリチウムイオンの濃度が、溶媒中のリチウム塩の解離および錯化反応の強度に依存するためです。

6.まとめ

リチウムイオン電池の低温性能を確保するためには、いくつかの重要な点を考慮する必要があります。

ある。薄くて緻密な固体電解質界面(SEI)膜の形成。

b.活物質中のLi+イオンの大きな拡散係数を確保します。

c. 低温での電解質の高いイオン伝導性。

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