Wie kann die Niedertemperaturleistung der Lithium-Eisen-Phosphatbatterie verbessert werden?

Im Vergleich zu anderen Kathodenmaterialien weisen LiFePO4-Elektrodenmaterialien viele Vorteile auf, wie z. B. eine höhere theoretische Spezifikkapazität, eine stabile Betriebsspannung, eine stabile Struktur, eine gute Kreislauffähigkeit,niedrige Rohstoffkosten und UmweltfreundlichkeitDaher ist dieses Material ein ideales Positelektrodematerial und wird als eines der wichtigsten Positelektrodematerialien für Leistungssäulen ausgewählt.

Viele Forscher haben den Mechanismus der beschleunigten Leistungsabnahme von LIBs bei niedrigen Temperaturen untersucht. and it is believed that the deposition of active lithium and its catalytically grown solid-state electrolyte interface (SEI) lead to the decrease of ionic conductivity and the decrease of electron mobility in the electrolyte. fallen, was zu einer Verringerung der Kapazität und Leistung der LIBs und manchmal sogar zu Leistungsstörungen der Batterie führt.Die Niedertemperaturen bei LIBs treten vor allem im Winter und in Gebieten mit hoher Breite und Höhenlage auf, in denen die Niedertemperaturumgebung die Leistung und Lebensdauer der LIB beeinträchtigt und sogar zu äußerst schwerwiegenden Sicherheitsproblemen führt.

Durch die niedrige Temperatur wird die Geschwindigkeit der Lithium-Interkalation im Graphit reduziert, und Metall-Lithium wird leicht auf der Oberfläche der Negativelektrode herabgefallen, um Lithium-Dendriten zu bilden.die das Membran durchbohren und einen internen Kurzschluss in der Batterie verursachenDaher sind Methoden zur Verbesserung der Niedertemperaturleistung von LIBs von großer Bedeutung für die Förderung des Einsatzes von Elektrofahrzeugen in den Alpenregionen.Dieses Papier fasst die Methoden zur Verbesserung der Niedertemperaturleistung von LiFePO4-Batterien aus folgenden vier Aspekten zusammen::

1) Der Impulsstrom erzeugt Wärme;

2) Verwendung von Elektrolytzusatzstoffen zur Herstellung von hochwertigen SEI-Filmen;

3) Schnittstellenleitfähigkeit von Oberflächenbeschichtung modifiziertem LiFePO4-Material;

4) Massenleitfähigkeit von ionendoppiertem modifiziertem LiFePO4-Material.

1. Schnelle Erwärmung von Niedertemperaturbatterien durch Impulskurs

Während des Ladevorgangs von LIBs fördern die Bewegung und Polarisierung von Ionen im Elektrolyt die Wärmeerzeugung innerhalb der LIBs.Dieser Wärmeerzeugungsmechanismus kann wirksam zur Verbesserung der Leistung von LIBs bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. Impulskurs bezieht sich auf einen Strom, dessen Richtung sich nicht ändert und dessen Stromintensität oder Spannung sich periodisch mit der Zeit ändert.Um die Batterie bei niedrigen Temperaturen schnell und sicher zu erhöhen, De Jongh et al. verwendeten ein Schaltkreismodell, um theoretisch zu simulieren, wie ein pulsierter Strom LIBs erwärmt, und überprüften die Simulationsergebnisse durch experimentelle Tests von kommerziellen LIBs.Der Unterschied in der Wärmeerzeugung zwischen Dauerladung und Pulsladung ist in Abbildung 1 dargestellt.Wie aus Abbildung 1 zu sehen ist, kann die Mikrosekunden-Impulszeit eine größere Wärmeerzeugung in der Lithiumbatterie fördern.

Abbildung 1 Wärme, erzeugt durch pulsierende und kontinuierliche Ladearten

Zhao et al. untersuchten die Erregungseffekte von Pulsstrom auf LiFePO4/MCNB-Batterien.die Oberflächentemperatur der Batterie von -10 °C auf 3 °C erhöht, und verglichen mit dem traditionellen Ladevorgang wurde die gesamte Ladezeit um 36min (23,4%) verkürzt, die Kapazität um 7,1% bei gleicher Entlademenge erhöht.Dieser Lademodus ist für das schnelle Laden von Niedertemperatur-LiFePO4-Batterien günstig..

Zhu et al. untersuchten die Wirkung der Pulsstromheizung auf die Niedertemperatur-Akkulaufzeit (Gesundheitszustand) von LiFePO4-Lithium-Ionen-Batterien.Stromstärke und Spannungsbereich bei BatterietemperaturDie Ergebnisse zeigten, daß eine höhere Stromintensität, eine geringere Frequenz und ein breiteres Spannungsbereich die Wärmeauflagerung und den Temperaturanstieg der LIBs erhöht haben.nach 240 Heizzyklen (jeder Zyklus entspricht 1800 Sekunden pulsierter Heizung bei -20 °C), bewerteten sie den Gesundheitszustand (SOH) der LIBs nach der Pulsstromheizung durch Untersuchung der Batterie-Kapazitätsbindung und der elektrochemischen Impedanz,und durch SEM und EDS die Veränderungen der Oberflächenmorphologie der negativen Elektrode der Batterie untersuchtDie Ergebnisse zeigten, daß die Pulskorrentheizung die Ablagerung von Lithium-Ionen auf der Negativelektrodenoberfläche nicht erhöht.so wird die Pulsheizung nicht das Risiko von Kapazitätsverfall und Lithium-Dendritwachstum durch Lithium-Ablagerung verursacht verschlimmern.

Abbildung 2 Veränderung der Batterietemperatur mit der Zeit, in der die Lithiumbatterie durch einen Pulskorrent mit einer Frequenz von 30 Hz (a) und 1 Hz (b) mit unterschiedlicher Stromstärke und Spannungsbereich geladen wird

2. Elektrolytmodifikation der SEI-Membran zur Verringerung des Ladungsübertragungswiderstands an der Elektrolyt-Elektroden-Schnittstelle

Die Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien hängt eng mit der Ionenmobilität der Batterie zusammen.und der SEI-Film auf der Oberfläche des Elektrodenmaterials ist das Schlüsselknotenpunkt, das die Lithiumionenmobilität beeinflusstLiao et al. untersuchten die Wirkung von Elektrolyten auf Carbonatbasis (1 mol/L LiPF6/EC+DMC+DEC+EMC, mit einem Volumenverhältnis von 1:1:13) über die Niedertemperaturleistung von LiFePO4-Lithiumbatterien.die elektrochemische Leistung der Batterie sinkt deutlich. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) tests show that the increase in charge transfer resistance and the decrease in lithium ion diffusion capacity are the main factors for the degradation of battery performanceEs wird daher erwartet, dass die Niedertemperaturleistung von LiFePO4-Batterien verbessert wird, indem der Elektrolyt geändert wird, um die Reaktivität der Elektrolyt-Elektrodenoberfläche zu verbessern.

Abbildung 3 a) EIS einer LiFePO4-Elektrode bei unterschiedlichen Temperaturen;

(b) Modell einer gleichwertigen Schaltung mit LiFePO4 EIS

Um ein Elektrolytsystem zu finden, das die elektrochemische Leistung von LiFePO4-Batterien bei niedrigen Temperaturen effektiv verbessern kann, untersuchten Zhang et al.Versucht, LiBF4-LiBOB-Gemischte Salze in den Elektrolyt zu geben, um die Niedertemperaturzyklusleistung von LiFePO4-Batterien zu verbessernEs ist zu beachten, dass die optimale Leistung nur erreicht wurde, wenn die Molarfraktion von LiBOB im gemischten Salz weniger als 10% betrug.LiPF4 ((C2O4) ((LiFOP) in Propylencarbonat (PC) als Elektrolyt für LiFePO4/C-Batterien gelöst und mit dem häufig verwendeten LiPF6-EC-Elektrolytsystem verglichenEs wurde festgestellt, daß die Entladekapazität der LIBs im ersten Zyklus signifikant abnahm, wenn die Batterie bei niedriger Temperatur zykliert wurde.Die EIS-Daten zeigten, dass der LiFOP/PC-Elektrolyt die Niedertemperaturzyklusleistung von LIBs verbesserte, indem er die interne Impedanz von LIBs reduzierte..

Li et al. untersuchten die elektrochemischen Eigenschaften von zwei Lithiumdifluor (LiODFB) -Borat-Elektrolytsystemen: LiODFB-DMS und LiODFB-SL/DMS.und verglichen die elektrochemische Leistung mit dem häufig verwendeten LiPF6-EC/DMC-Elektrolyt, und stellte fest, dass LiODFB-SL/DMS und LiODFB-SL/DES-Elektrolyte die Zyklusstabilität und Ratefähigkeit von LiFePO4-Batterien bei niedrigen Temperaturen verbessern können.Eine EIS-Studie ergab, dass der LiODFB-Elektrolyt zur Bildung von SEI-Filmen mit geringerer Oberflächenimpedanz beiträgt, die die Diffusion von Ionen und die Bewegung von Ladungen fördert und so die Niedertemperaturzyklusleistung von LiFePO4-Batterien verbessert.Eine geeignete Elektrolytzusammensetzung ist vorteilhaft, um den Ladungsübertragungswiderstand zu reduzieren und die Diffusionsrate von Lithiumionen an der Elektrodenmaterialschnittstelle zu erhöhen, wodurch die Niedertemperaturleistung von LIBs effektiv verbessert wird.

Elektrolytzusatzstoffe sind auch eine der wirksamen Methoden, um die Zusammensetzung und Struktur von SEI-Filmen zu kontrollieren und so die Leistung von LIBs zu verbessern.Untersucht wurde die Wirkung von FEC auf die Entladekapazität und die Leistungsfähigkeit von LiFePO4-Batterien bei niedrigen TemperaturenDie Studie ergab, dass LiFePO4-Batterien nach dem Hinzufügen von 2% FEC zu Elektrolyten eine höhere Entladekapazität und eine höhere Leistungsrate bei niedrigen Temperaturen aufwiesen.und EIS-Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von FEC zum Elektrolyt die Impedanz von LiFePO4-Batterien bei niedrigen Temperaturen wirksam reduzieren kann, so dass die Verbesserung der Batterieleistung auf die Erhöhung der Ionenleitfähigkeit des SEI-Films und die Polarisierung der LiFePO4-Elektrode zurückzuführen ist.Sie untersuchten die Auswirkungen der Emissionsminderung auf die Umwelt und untersuchten die Auswirkungen auf die Umwelt.Sie stellten fest, daß die Zersetzung von LiPF6 und Carbonatlösungsmittel geschwächt wurde, wenn FEC an der Schnittstellenfilmbildung teilnahm.und der Gehalt an LixPOyFz und durch Lösungsmittelzersetzung entstehenden Kohlenstoffstoffen verringertAuf der Oberfläche von LiFePO4 entsteht somit ein SEI-Film mit geringer Widerstandsfähigkeit und dichten Strukturen.Die CV-Kurven von LiFePO4 zeigen, dass die Oxidations-/Reduktionsspitzen nahe beieinander liegen., was darauf hindeutet, dass die Zugabe von FEC die Polarisierung der LiFePO4-Elektrode verringern kann.mit einer Leistung von mehr als 50 W und einer Leistung von mehr als 50 W,.

Abbildung 4 Zyklische Voltammogramme von LiFePO4-Zellen in Elektrolyten mit 0% und 10% FEC bei -20 °C

Darüber hinaus stellten Liao u. a. auch fest, dass das Hinzufügen von Butylsulton (BS) zum Elektrolyt eine ähnliche Wirkung hat, d. h. eine SEI-Folie mit einer dünneren Struktur und einer geringeren Impedanz bildet,und verbessern die Migrationsrate von Lithium-Ionen beim Durchgang durch den SEI-FilmDaher , verbessert die Zugabe von BS die Kapazität und die Leistungsfähigkeit von LiFePO4-Batterien bei niedrigen Temperaturen erheblich.

3Oberflächenbeschichtung leitfähige Schicht zur Verringerung des Oberflächenwiderstands von LiFePO4-Material

One of the important reasons for the degradation of lithium battery performance in low temperature environment is the increase of impedance at the electrode interface and the decrease of ion diffusion rateDie Leitungsschicht mit LiFePO4-Oberflächenbeschichtung kann den Kontaktwiderstand zwischen den Elektrodematerialien wirksam verringern.so die Diffusionsrate von Ionen in und aus LiFePO4 bei niedriger Temperatur verbessertWie in Abbildung 5 gezeigt, verwendeten Wu et al. zwei kohlenstoffhaltige Materialien (amorphes Kohlenstoff und Kohlenstoffnanoröhren) zur Beschichtung von LiFePO4 (LFP@C/CNT),und die modifizierte LFP@C/CNT zeigte eine ausgezeichnete NiedertemperaturleistungDie Kapazitätsbindung beträgt bei -25°C etwa 71,4%. Die EIS-Analyse ergab, daß diese Leistungsverbesserung hauptsächlich auf die reduzierte Impedanz des LiFePO4-Elektrodenmaterials zurückzuführen ist..

Abbildung 5 HRTEM-Bild (a), Strukturdiagramm (b) und SEM-Bild von LFP@C/CNT-Nanokompositen

Unter vielen Beschichtungsmaterialien haben Metall- oder Metalloxid-Nanopartikel aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und ihrer einfachen Herstellungsmethode die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen.Yao u. a.. untersucht die Wirkung der CeO2-Beschichtung auf die Leistung der LiFePO4/C-Batterie.Die Kinetik ist deutlich verbessert., was auf den verbesserten Kontakt zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Stromkollektor sowie den Partikeln zurückzuführen ist,sowie die erhöhte Ladungsübertragung in der LiFePO4-Elektrolytschnittstelle, wodurch die Elektrodenpolarisierung reduziert wird.

Ebenso nutzten Jin et al. die gute elektrische Leitfähigkeit von V2O3 zur Beschichtung der Oberfläche von LiFePO4 und testeten die elektrochemischen Eigenschaften der beschichteten Proben.Die Untersuchung von Lithium-Ionen zeigt, daß die gut leitfähige V2O3-Schicht den Lithium-Ionentransport in der LiFePO4-Elektrode erheblich fördern kann, und somit weist die V2O3-modifizierte LiFePO4/C-Batterie, wie in Abbildung 6 dargestellt, eine ausgezeichnete elektrochemische Leistung bei niedrigen Temperaturen auf.

Abbildung 6 Zyklusleistung von LiFePO4, beschichtet mit unterschiedlichem V2O3-Gehalt bei niedriger Temperatur

Lin et al. beschichtete Sn-Nanopartikel auf der Oberfläche von LiFePO4-Material durch ein einfaches Elektrodeposition (ED) -Verfahren,und systematisch die Wirkung der Sn-Beschichtung auf die elektrochemische Leistung von LiFePO4/C-Zellen untersuchtDie SEM- und EIS-Analysen zeigen, daß die Beschichtung mit Sn den Kontakt zwischen LiFePO4-Partikeln verbessert und daß das Material einen geringeren Ladungsübertragungswiderstand und eine höhere Lithiumdiffusionsrate bei niedrigen Temperaturen aufweist.Daher, Sn-Beschichtung verbessert die LiFePO4/C-Batterie bei niedrigen Temperaturen

Darüber hinaus verwendet Tang et al. Aluminium-doped Zinkoxid (AZO) als leitfähiges Material zur Beschichtung der Oberfläche von LiFePO4 Elektrodenmaterial.Die Ergebnisse der elektrochemischen Prüfungen zeigen, dass die AZO-Beschichtung auch die Geschwindigkeitsfähigkeit und die Niedertemperaturleistung von LiFePO4 erheblich verbessern kann, was auf die leitfähige AZO-Beschichtung zurückzuführen ist, die die elektrische Leitfähigkeit des LiFePO4-Materials erhöht.

Viertens verringert das Massendoping den Massenwiderstand von LiFePO4-Elektrodenmaterialien

Ionendoping kann in der LiFePO4-Olivingitterstruktur Lücken bilden, die die Diffusionsrate von Lithium-Ionen im Material fördern,damit die elektrochemische Aktivität von LiFePO4-Batterien erhöht wird. Zhang u.a. synthetisierte Lanthan- und Magnesium-Doppierte Li0.99La0.01Fe0.9Mg0.1PO4/Graphit-Aerogel-Verbundelektrodenmaterial durch Lösungsimpregnierung,mit einer Leistung von mehr als 10 W, and the results of electrochemical impedance experiments It is shown that this superiority is mainly attributed to the enhanced electronic conductivity of the material by ion doping and graphite aerogel coating.

Huang et al. bereiteten Mg und F-koppodiertes LiFe0,92Mg0,08 ((PO4) 0,99F0,03 Elektrodenmaterial durch eine einfache Festkörperreaktion her.Die Ergebnisse der Struktur- und Morphologiecharakterisierung zeigten, dass Mg und F gleichmäßig zu LiFePO4-Kristallen doppiert werden konnten. im Gitter ohne Veränderung der Struktur und Partikelgröße des Elektrodenmaterials im Vergleich zum nicht ion-doppierten LiFePO4-Material und dem Mg- oder F-single-doppierten LiFePO4-Materialdas koppierte LiFePO4 bei niedriger Temperatur die beste elektrochemische Leistung aufweistDie EIS-Ergebnisse zeigen, daß die Kopoppierung von Mg und F die Elektronenübertragungsrate und die Ionenleitungsrate erhöht.Einer der Gründe ist, dass die Länge der Mg-O-Bindung kürzer ist als die der Fe-O-Bindung, was zu einer Erweiterung des Lithium-Ionen-Diffusionskanals führt und die LiFePO4-Ionenleitfähigkeit verbessert.

Wang et al. synthetisierten mit Samarium doppierte LiFe1-xSmxPO4/C-Verbundstoffe durch Niederschlag in flüssiger Phase.Die Ergebnisse zeigen, daß eine kleine Menge Sm3+-Ionen-Doping das Polarisierungs- und Ladungsübertragungswiderstandsvermögen verringern kann., wodurch die elektrochemische Leistung von LiFePO4 bei niedrigen Temperaturen verbessert wird.Die Studie ergab, dass Ti3SiC2-Doping die Übertragungsrate von Lithiumionen an der Schnittstelle des LiFePO4-Elektrodenmaterials bei niedriger Temperatur effektiv verbessern kannDaher weist Ti3SiC2-doppiertes LiFePO4 bei niedrigen Temperaturen eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit auf.Das LiFePO4-Elektrodenmaterial (LFP-LVP) mit Li3V2 (PO4) 3 wurde von Ma et al.Die EIS­Ergebnisse zeigten, daß das LFP­LVP­Elektrodenmaterial einen geringeren Ladungsübertragungswiderstand aufweist.und die Beschleunigung der Ladungsübertragung verbesserte die elektrische Leistung von LiFePO4/C-Batterien bei niedrigen Temperaturen. chemischen Eigenschaften.