Uz brzi razvoj električnih vozila širom svijeta, veličina tržišta električnih vozila dostigla je 1 bilion dolara u 2020. i nastavit će rasti po stopi od više od 20% godišnje u budućnosti. Zbog toga će električna vozila kao glavni način prijevoza, zahtjevi za performansama baterija za napajanje biti sve veći, a ne treba zanemariti utjecaj raspadanja baterije na performanse baterije u okruženjima s niskim temperaturama. Glavni razlozi propadanja baterije u okruženjima s niskom temperaturom su: Prvo, niska temperatura utiče na mali unutrašnji otpor baterije, područje termalne difuzije je veliko, a unutrašnji otpor baterije se povećava. Drugo, baterija unutar i izvan kapaciteta prijenosa punjenja je loša, deformacija baterije će se dogoditi kada lokalna nepovratna polarizacija. Treće, niska temperatura kretanja molekula elektrolita je spora i teško se difundira u vremenu kada temperatura raste. Stoga je propadanje baterije na niskim temperaturama ozbiljno, što rezultira ozbiljnom degradacijom performansi baterije.
1、Status tehnologije baterija niske temperature
Tehnički i materijalni zahtjevi za performanse litijum-jonskih baterija pripremljenih na niskim temperaturama su visoki. Ozbiljna degradacija performansi litijum-jonske baterije u okruženju niskih temperatura uzrokovana je povećanjem unutrašnjeg otpora, što dovodi do poteškoće difuzije elektrolita i skraćenog životnog ciklusa ćelije. Stoga su istraživanja o tehnologiji baterija na niskim temperaturama postigla određeni napredak posljednjih godina. Tradicionalne visokotemperaturne litijum-jonske baterije imaju loše performanse pri visokim temperaturama, a njihove performanse su i dalje nestabilne u uslovima niskih temperatura; veliki volumen niskotemperaturnih ćelija, mali kapacitet i loše performanse ciklusa na niskim temperaturama; 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 smanjen vijek trajanja baterije na niskim temperaturama; i smanjene performanse pri upotrebi na niskim temperaturama. Osim toga, kratak vijek trajanja baterije na niskim temperaturama i sigurnosni rizici niskotemperaturnih ćelija postavili su nove zahtjeve za sigurnost električnih baterija. Stoga je razvoj stabilnih, sigurnih, pouzdanih i dugovječnih materijala za baterije za niskotemperaturna okruženja u fokusu istraživanja niskotemperaturnih litijum-jonskih baterija. Trenutno postoji nekoliko niskotemperaturnih materijala litijum-jonskih baterija: (1) litijum metalni anodni materijali: litijum metal se široko koristi u električnim vozilima zbog svoje visoke hemijske stabilnosti, visoke električne provodljivosti i performansi punjenja i pražnjenja pri niskim temperaturama; (2) ugljični anodni materijali se široko koriste u električnim vozilima zbog svoje dobre otpornosti na toplinu, performansi ciklusa na niskim temperaturama, niske električne provodljivosti i ciklusa pri niskim temperaturama na niskim temperaturama; (3) karbonski anodni materijali se široko koriste u električnim vozilima zbog svoje dobre otpornosti na toplinu, performansi ciklusa na niskim temperaturama, niske električne provodljivosti i vijeka trajanja ciklusa pri niskim temperaturama. in; (3) organski elektroliti imaju dobre performanse na niskim temperaturama; (4) polimerni elektroliti: polimerni molekularni lanci su relativno kratki i imaju visok afinitet; (5) neorganski materijali: neorganski polimeri imaju dobre parametre performansi (provodljivost) i dobru kompatibilnost između aktivnosti elektrolita; (6) metalnih oksida je manje; (7) neorganski materijali: neorganski polimeri, itd.
2、Utjecaj okruženja niske temperature na litijumsku bateriju
Životni vek litijumskih baterija uglavnom zavisi od procesa pražnjenja, dok je niska temperatura faktor koji ima veći uticaj na životni vek litijumskih proizvoda. Obično, u okruženju niske temperature, površina baterije će biti podvrgnuta promjeni faze, uzrokujući oštećenje površinske strukture, praćeno smanjenjem kapaciteta i kapaciteta ćelije. U uslovima visoke temperature, u ćeliji se stvara gas, koji će ubrzati termičku difuziju; pod niskom temperaturom, plin se ne može isprazniti na vrijeme, ubrzavajući faznu promjenu tekućine baterije; što je temperatura niža, to se više gasa stvara i sporija je promena faze tečnosti u bateriji. Stoga je unutrašnja promjena materijala baterije drastičnija i složenija pod niskom temperaturom, te je lakše stvarati plinove i čvrste tvari unutar materijala baterije; u isto vrijeme, niska temperatura će dovesti do niza destruktivnih reakcija kao što je nepovratni prekid kemijske veze na granici između materijala katode i elektrolita; to će također dovesti do smanjenja samosastavljanja elektrolita i životnog vijeka; sposobnost prenosa naelektrisanja litijum jona na elektrolit će biti smanjena; proces punjenja i pražnjenja će izazvati niz lančanih reakcija kao što su fenomen polarizacije tokom prijenosa litijum jonskog punjenja, opadanje kapaciteta baterije i otpuštanje unutrašnjeg stresa, što utiče na životni vijek i gustoću energije litijum jonskih baterija i druge funkcije. Što je temperatura niža na niskoj temperaturi, to su intenzivnije i složenije različite destruktivne reakcije kao što su redoks reakcija na površini baterije, termička difuzija, promjena faze unutar ćelije, pa čak i potpuno uništenje zauzvrat će pokrenuti niz lančanih reakcija kao što je elektrolit samosastavljanje, što je sporija brzina reakcije, to je ozbiljniji pad kapaciteta baterije i lošija je sposobnost migracije litijum jona na visokoj temperaturi.
3、 Niska temperatura na napretku perspektive istraživanja tehnologije litijumskih baterija
U okruženju s niskim temperaturama, sigurnost, životni vijek i stabilnost ćelije baterije će biti ugroženi, a utjecaj niske temperature na vijek trajanja litijumskih baterija ne može se zanemariti. Trenutno je istraživanje i razvoj tehnologije baterija za niske temperature pomoću dijafragme, elektrolita, pozitivnih i negativnih elektrodnih materijala i drugih metoda postiglo određeni napredak. U budućnosti, razvoj tehnologije niskotemperaturnih litijumskih baterija treba poboljšati sa sljedećih aspekata: (1) razvoj sistema materijala litijumskih baterija sa velikom gustoćom energije, dugim vijekom trajanja, malim slabljenjem, malom veličinom i niskom cijenom pri niskim temperaturama ; (2) kontinuirano poboljšanje kontrole unutrašnjeg otpora baterije kroz konstrukcijski dizajn i tehnologiju pripreme materijala; (3) u razvoju sistema litijumskih baterija velikog kapaciteta i niske cene, treba obratiti pažnju na aditive za elektrolite, litijum jone i interfejs anode i katode i interni aktivni materijal i druge ključne faktore koji utiču; (4) poboljšati performanse ciklusa baterije (specifična energija punjenja i pražnjenja), termičku stabilnost baterije u okruženju niskih temperatura, sigurnost litijumskih baterija u okruženju niskih temperatura i drugi smjer razvoja tehnologije baterija; (5) razviti sistemske sistemske sisteme za napajanje sa visokim troškovima i niskim troškovima u uslovima niskih temperatura; (6) razvijati proizvode za baterije na niskim temperaturama i promovirati njihovu primjenu; (7) razviti materijale za baterije i tehnologiju uređaja visokih performansi otpornih na niske temperature.
Naravno, uz gore navedene smjernice istraživanja, postoje i mnogi istraživački smjerovi za daljnje poboljšanje performansi baterije u uvjetima niskih temperatura, poboljšanje gustoće energije baterija na niskim temperaturama, smanjenje degradacije baterije u okruženjima s niskim temperaturama, produženje 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 nisku cijenu komercijalizacija baterija u uvjetima niskih temperatura je aktuelna. Istraživanje se treba fokusirati na probijanje i rješavanje problema.
Vrijeme objave: 22.11.2022