S brzim razvojem električnih vozila diljem svijeta, veličina tržišta električnih vozila dosegla je 1 trilijun dolara u 2020. i nastavit će rasti po stopi većoj od 20% godišnje u budućnosti.Stoga će električna vozila kao glavni način prijevoza, zahtjevi za performansama baterija za napajanje biti sve viši, a utjecaj propadanja baterije na performanse baterije za napajanje u okruženjima s niskom temperaturom ne treba zanemariti.Glavni razlozi za propadanje baterije u okruženjima s niskom temperaturom su: Prvo, niska temperatura utječe na mali unutarnji otpor baterije, područje toplinske difuzije je veliko, a unutarnji otpor baterije se povećava.Drugo, baterija unutar i izvan kapaciteta prijenosa naboja je loša, deformacija baterije će se dogoditi kada lokalna nepovratna polarizacija.Treće, niska temperatura kretanja molekula elektrolita je spora i teško se difuzira u vremenu kada temperatura poraste.Stoga je propadanje baterije na niskim temperaturama ozbiljno, što rezultira ozbiljnom degradacijom performansi baterije.
1、Status tehnologije baterija niske temperature
Zahtjevi tehničkih i materijalnih performansi litij-ionskih baterija pripremljenih na niskim temperaturama su visoki.Ozbiljna degradacija performansi litij-ionske baterije u okruženju niske temperature posljedica je povećanja unutarnjeg otpora, što dovodi do poteškoće s difuzijom elektrolita i skraćenog životnog ciklusa ćelije.Stoga je istraživanje tehnologije niskotemperaturnih baterija postiglo određeni napredak posljednjih godina.Tradicionalne visokotemperaturne litij-ionske baterije imaju loše performanse pri visokim temperaturama, a njihove su performanse još uvijek nestabilne u uvjetima niskih temperatura;veliki volumen niskotemperaturnih ćelija, nizak kapacitet i loše performanse niskotemperaturnog ciklusa;polarizacija je znatno jača na niskoj nego na visokoj temperaturi;povećana viskoznost elektrolita na niskoj temperaturi dovodi do smanjenja broja ciklusa punjenja/pražnjenja;smanjena sigurnost ćelija i smanjeni vijek trajanja baterije pri niskim temperaturama;i smanjene performanse pri uporabi na niskim temperaturama.Osim toga, kratki vijek trajanja baterije pri niskim temperaturama i sigurnosni rizici niskotemperaturnih ćelija postavili su nove zahtjeve za sigurnost energetskih baterija.Stoga je razvoj stabilnih, sigurnih, pouzdanih i dugotrajnih materijala za baterije za niske temperature u središtu istraživanja litij-ionskih baterija za niske temperature.Trenutačno postoji nekoliko materijala za litij-ionsku bateriju niske temperature: (1) materijali litij metalne anode: metalni litij naširoko se koristi u električnim vozilima zbog svoje visoke kemijske stabilnosti, visoke električne vodljivosti i performansi punjenja i pražnjenja pri niskim temperaturama;(2) materijali ugljične anode naširoko se koriste u električnim vozilima zbog svoje dobre otpornosti na toplinu, izvedbe niskotemperaturnog ciklusa, niske električne vodljivosti i vijeka trajanja niskotemperaturnog ciklusa pri niskim temperaturama;(3) Materijali ugljične anode naširoko se koriste u električnim vozilima zbog svoje dobre otpornosti na toplinu, performansi ciklusa na niskim temperaturama, niske električne vodljivosti i životnog vijeka ciklusa na niskim temperaturama.u;(3) organski elektroliti imaju dobre performanse na niskim temperaturama;(4) polimerni elektroliti: polimerni molekularni lanci su relativno kratki i imaju visok afinitet;(5) anorganski materijali: anorganski polimeri imaju dobre parametre izvedbe (vodljivost) i dobru kompatibilnost između aktivnosti elektrolita;(6) metalni oksidi su manji;(7) anorganski materijali: anorganski polimeri itd.
2、Učinak okoline niske temperature na litijevu bateriju
Vijek trajanja litijevih baterija uglavnom ovisi o procesu pražnjenja, dok je niska temperatura faktor koji ima veći utjecaj na vijek trajanja litijevih proizvoda.Obično, pod niskom temperaturom okoline, površina baterije će doživjeti promjenu faze uzrokujući oštećenje površinske strukture, praćeno smanjenjem kapaciteta i kapaciteta ćelija.U uvjetima visoke temperature u ćeliji se stvara plin koji će ubrzati toplinsku difuziju;pod niskom temperaturom, plin se ne može isprazniti na vrijeme, ubrzavajući faznu promjenu tekućine baterije;što je niža temperatura, stvara se više plina i sporija je promjena faze tekućine u bateriji.Stoga je unutarnja promjena materijala baterije drastičnija i složenija pod niskom temperaturom, a lakše je stvarati plinove i krutine unutar materijala baterije;u isto vrijeme, niska temperatura će dovesti do niza destruktivnih reakcija kao što je nepovratan prekid kemijske veze na sučelju između materijala katode i elektrolita;također će dovesti do smanjenja samosastavljanja elektrolita i trajanja ciklusa;sposobnost prijenosa naboja litijeva iona na elektrolit bit će smanjena;proces punjenja i pražnjenja uzrokovat će niz lančanih reakcija kao što je fenomen polarizacije tijekom prijenosa naboja litij-iona, opadanje kapaciteta baterije i oslobađanje unutarnjeg naprezanja, što utječe na trajanje ciklusa i gustoću energije litij-ionskih baterija i drugih funkcija.Što je niža temperatura pri niskoj temperaturi, to će razne destruktivne reakcije kao što su redoks reakcija na površini baterije, toplinska difuzija, fazna promjena unutar ćelije pa čak i potpuno uništenje zauzvrat pokrenuti niz lančanih reakcija kao što je reakcija elektrolita samosastavljanja, što je sporija brzina reakcije, to je ozbiljnije opadanje kapaciteta baterije i lošija sposobnost migracije naboja litij-iona na visokoj temperaturi.
3、 Niska temperatura na razvoj perspektiva istraživanja tehnologije litijskih baterija
U okruženju niske temperature, sigurnost, životni vijek i stabilnost temperature ćelije baterije će biti ugroženi, a utjecaj niske temperature na vijek trajanja litijevih baterija ne može se zanemariti.Trenutačno su istraživanja i razvoj tehnologije niskotemperaturnih baterija korištenjem dijafragme, elektrolita, materijala pozitivnih i negativnih elektroda i drugih metoda postigli određeni napredak.U budućnosti bi se razvoj tehnologije niskotemperaturnih litijevih baterija trebao poboljšati sa sljedećih aspekata: (1) razvoj sustava materijala za litijevu bateriju s visokom gustoćom energije, dugim vijekom trajanja, niskim prigušenjem, malom veličinom i niskom cijenom na niskim temperaturama ;(2) stalno poboljšavanje kontrole unutarnjeg otpora baterije kroz konstrukcijski dizajn i tehnologiju pripreme materijala;(3) u razvoju sustava litijskih baterija velikog kapaciteta i niske cijene treba obratiti pozornost na aditive elektrolita, sučelje litijevih iona i anode i katode te unutarnji aktivni materijal i utjecaj drugih ključnih čimbenika;(4) poboljšati performanse ciklusa baterije (specifična energija punjenja i pražnjenja), toplinsku stabilnost baterije u okruženju niske temperature, sigurnost litijevih baterija u okruženju niske temperature i drugi smjer razvoja tehnologije baterija;(5) razviti visoka sigurnosna svojstva, skupa i jeftina rješenja baterijskog sustava u uvjetima niske temperature;(6) razvijati proizvode povezane s niskotemperaturnim baterijama i promovirati njihovu primjenu;(7) razviti visokoučinkovite baterijske materijale i tehnologiju uređaja otporne na niske temperature.
Naravno, osim gore navedenih smjerova istraživanja, postoje i mnogi smjerovi istraživanja za daljnje poboljšanje performansi baterije u uvjetima niske temperature, poboljšanje gustoće energije baterija na niskim temperaturama, smanjenje degradacije baterije u okruženjima s niskom temperaturom, produljenje vijeka trajanja baterije i druga istraživanja napredak;ali važnije pitanje je kako postići visoke performanse, visoku sigurnost, nisku cijenu, veliki domet, dug životni vijek i jeftinu komercijalizaciju baterija u uvjetima niske temperature. Istraživanje se treba usredotočiti na probijanje i rješavanje problema.
Vrijeme objave: 22. studenog 2022