S hitrim razvojem električnih vozil po vsem svetu je obseg trga električnih vozil leta 2020 dosegel 1 bilijon dolarjev in bo v prihodnosti še naprej rasel po stopnji več kot 20 % na leto.Zato bodo električna vozila kot glavni način prevoza, zahteve glede zmogljivosti baterij za napajanje vedno višje, zato ne smemo zanemariti vpliva razpada baterije na zmogljivost baterije v okoljih z nizko temperaturo.Glavni razlogi za razpad baterije v okoljih z nizko temperaturo so: Prvič, nizka temperatura vpliva na majhen notranji upor baterije, območje toplotne difuzije je veliko in notranji upor baterije se poveča.Drugič, baterija znotraj in zunaj prenosne zmogljivosti je slaba, deformacija baterije se bo zgodila, ko bo lokalna nepovratna polarizacija.Tretjič, nizka temperatura gibanja molekul elektrolita je počasna in jo je težko razpršiti v času, ko se temperatura dvigne.Zato je razpad baterije pri nizki temperaturi resen, kar povzroči resno poslabšanje delovanja baterije.
1、Stanje tehnologije nizkotemperaturnih baterij
Tehnične in materialne zahteve glede zmogljivosti litij-ionskih baterij, pripravljenih pri nizkih temperaturah, so visoke.Resno poslabšanje zmogljivosti litij-ionske napajalne baterije v nizkotemperaturnem okolju je posledica povečanja notranjega upora, kar povzroči težave pri difuziji elektrolitov in skrajša življenjsko dobo celičnega cikla.Zato so raziskave tehnologije nizkotemperaturnih baterij v zadnjih letih nekoliko napredovale.Tradicionalne visokotemperaturne litij-ionske baterije imajo slabo delovanje pri visokih temperaturah in njihovo delovanje je še vedno nestabilno pri nizkih temperaturah;velik volumen nizkotemperaturnih celic, nizka zmogljivost in slaba zmogljivost nizkotemperaturnega cikla;polarizacija je bistveno močnejša pri nizki temperaturi kot pri visoki temperaturi;povečana viskoznost elektrolita pri nizki temperaturi povzroči zmanjšanje števila ciklov polnjenja/praznjenja;zmanjšana varnost celic in zmanjšana življenjska doba baterije pri nizki temperaturi;in zmanjšana zmogljivost pri uporabi pri nizkih temperaturah.Poleg tega so kratka življenjska doba baterije pri nizkih temperaturah in varnostna tveganja nizkotemperaturnih celic postavili nove zahteve glede varnosti električnih baterij.Zato je razvoj stabilnih, varnih, zanesljivih in dolgoživih baterijskih materialov za nizkotemperaturna okolja v središču raziskav nizkotemperaturnih litij-ionskih baterij.Trenutno obstaja več nizkotemperaturnih materialov za litij-ionsko baterijo: (1) litij-kovinski anodni materiali: kovinski litij se pogosto uporablja v električnih vozilih zaradi svoje visoke kemične stabilnosti, visoke električne prevodnosti ter učinkovitosti polnjenja in praznjenja pri nizkih temperaturah;(2) ogljikovi anodni materiali se pogosto uporabljajo v električnih vozilih zaradi dobre toplotne odpornosti, delovanja pri nizkih temperaturah, nizke električne prevodnosti in življenjske dobe pri nizkih temperaturah;(3) Ogljikovi anodni materiali se pogosto uporabljajo v električnih vozilih zaradi dobre toplotne odpornosti, delovanja pri nizkih temperaturah, nizke električne prevodnosti in življenjske dobe pri nizkih temperaturah.v;(3) organski elektroliti dobro delujejo pri nizki temperaturi;(4) polimerni elektroliti: polimerne molekularne verige so relativno kratke in imajo visoko afiniteto;(5) anorganski materiali: anorganski polimeri imajo dobre parametre delovanja (prevodnost) in dobro združljivost med aktivnostjo elektrolitov;(6) kovinskih oksidov je manj;(7) anorganski materiali: anorganski polimeri itd.
2、Učinek nizkotemperaturnega okolja na litijevo baterijo
Življenjska doba litijevih baterij je odvisna predvsem od procesa praznjenja, medtem ko je nizka temperatura dejavnik, ki bolj vpliva na življenjsko dobo litijevih izdelkov.Običajno bo v okolju z nizko temperaturo površina baterije podvržena fazni spremembi, kar povzroči poškodbe površinske strukture, ki jih spremlja zmanjšanje zmogljivosti in zmogljivosti celic.V pogojih visoke temperature se v celici tvori plin, ki bo pospešil toplotno difuzijo;pri nizki temperaturi se plin ne more pravočasno izprazniti, kar pospeši fazno spremembo tekočine akumulatorja;nižja kot je temperatura, več plina nastane in počasnejša je sprememba faze akumulatorske tekočine.Zato je notranja sprememba materiala baterije bolj drastična in zapletena pri nizki temperaturi, zato je lažje ustvariti pline in trdne snovi znotraj materiala baterije;hkrati bo nizka temperatura povzročila vrsto destruktivnih reakcij, kot je ireverzibilna prekinitev kemične vezi na vmesniku med materialom katode in elektrolitom;povzročilo bo tudi zmanjšanje samosestavljanja elektrolita in življenjske dobe cikla;zmožnost prenosa naboja litijevega iona na elektrolit se bo zmanjšala;proces polnjenja in praznjenja bo povzročil vrsto verižnih reakcij, kot je pojav polarizacije med prenosom naboja litij-ionov, upad zmogljivosti baterije in sproščanje notranje napetosti, kar vpliva na življenjsko dobo cikla in energijsko gostoto litij-ionskih baterij in drugih funkcij.Nižja kot je temperatura pri nizki temperaturi, bolj intenzivne in zapletene bodo različne destruktivne reakcije, kot so redoks reakcija na površini baterije, toplotna difuzija, fazna sprememba znotraj celice in celo popolno uničenje, ki bodo posledično sprožile vrsto verižnih reakcij, kot je elektrolitska samosestavljanja, počasnejša kot je hitrost reakcije, resnejši je upad zmogljivosti baterije in slabša je sposobnost migracije naboja litijevega iona pri visoki temperaturi.
3、 Nizka temperatura na napredek možnosti raziskav tehnologije litijevih baterij
V nizkotemperaturnem okolju bodo prizadeti varnost, življenjska doba in stabilnost temperature celic baterije, zato ni mogoče prezreti vpliva nizke temperature na življenjsko dobo litijevih baterij.Trenutno so raziskave in razvoj tehnologije nizkotemperaturnih baterij z uporabo diafragme, elektrolitov, pozitivnih in negativnih elektrodnih materialov ter drugih metod nekoliko napredovale.V prihodnosti je treba razvoj tehnologije nizkotemperaturnih litijevih baterij izboljšati z naslednjih vidikov: (1) razvoj materialnega sistema litijevih baterij z visoko energijsko gostoto, dolgo življenjsko dobo, nizkim dušenjem, majhnostjo in nizkimi stroški pri nizki temperaturi ;(2) nenehno izboljševanje nadzora notranjega upora akumulatorja s strukturno zasnovo in tehnologijo priprave materiala;(3) pri razvoju visokozmogljivega in poceni sistema litijevih baterij je treba pozornost nameniti dodatkom elektrolitov, litijevemu ionu ter vmesniku anode in katode ter notranjemu aktivnemu materialu in vplivu drugih ključnih dejavnikov;(4) izboljšati zmogljivost cikla baterije (specifična energija polnjenja in praznjenja), toplotno stabilnost baterije v okolju z nizko temperaturo, varnost litijevih baterij v okolju z nizko temperaturo in druge smeri razvoja tehnologije baterij;(5) razviti visokovarnostne, visokocenovne in nizkocenovne sistemske rešitve baterijskega sistema pri nizkih temperaturah;(6) razvoj izdelkov, povezanih z nizkotemperaturnimi baterijami, in spodbujanje njihove uporabe;(7) razviti visoko zmogljive nizkotemperaturno odporne baterijske materiale in tehnologijo naprav.
Seveda poleg zgornjih raziskovalnih smeri obstaja tudi veliko raziskovalnih usmeritev za nadaljnje izboljšanje delovanja baterije pri nizkih temperaturah, izboljšanje energijske gostote nizkotemperaturnih baterij, zmanjšanje razgradnje baterije v nizkotemperaturnih okoljih, podaljšanje življenjske dobe baterije in druge raziskave napredek;vendar je pomembnejše vprašanje, kako doseči visoko zmogljivost, visoko varnost, nizko ceno, velik doseg, dolgo življenjsko dobo in poceni komercializacijo baterij pri nizkih temperaturah. Raziskave se morajo osredotočiti na preboj in rešitev problema.
Čas objave: 22. nov. 2022