Использование литий-ионных аккумуляторов ограничено в условиях низких температур, так как их разрядная емкость сильно снизится и их невозможно будет заряжать при низких температурах. Во время низкотемпературной зарядки внедрение ионов лития на графитовый электрод аккумулятора и реакция литиевого покрытия сосуществуют и конкурируют друг с другом. В условиях низких температур диффузия ионов лития в графите тормозится, а проводимость электролита снижается, что приводит к снижению скорости внедрения. На поверхности графита с большей вероятностью протекает реакция литиевого покрытия.
Исследования показали, что аккумулятор емкостью 3500 мАч при эксплуатации в среде с температурой -10 градусов после менее чем 100 циклов зарядки и разрядки испытывает резкое снижение емкости до 500 мАч и, по сути, списывается. То есть в рабочей среде с температурой -10, если электромобиль заряжается и разряжается один раз в день, батарею придется утилизировать и заменить новой через три месяца.
Причины, влияющие на низкотемпературную работу литий-железо-фосфатных аккумуляторов:
1. Структура положительного электрода
Трехмерная структура материала положительного электрода ограничивает скорость диффузии литий-железо-фосфатных батарей, особенно при низких температурах. Различные материалы положительных электродов имеют разную трехмерную структуру. В настоящее время важными материалами положительных электродов, используемыми в литий-ионных батареях для электромобилей, являются фосфат лития-железа, тройные материалы никель-кобальт-марганец и оксид лития-марганца. Разрядная емкость литий-железо-фосфатных батарей может достигать только 67,38% от емкости при комнатной температуре при -20 градусах, в то время как тройные никель-кобальт-марганцевые батареи могут достигать 70,1%.
2. Растворитель с высокой температурой плавления.
Из-за присутствия растворителей с высокой температурой плавления в смеси растворителей электролита вязкость электролита литий-ионного аккумулятора увеличивается при низких температурах. При слишком низкой температуре происходит затвердевание электролита, что приводит к снижению скорости прохождения ионов лития в электролите.
3. Скорость диффузии ионов лития.
Скорость диффузии ионов лития в графитовых отрицательных электродах снижается в условиях низких температур. Увеличение сопротивления переноса заряда литий-ионных аккумуляторов в низкотемпературных средах приводит к снижению скорости диффузии ионов лития в графитовом отрицательном электроде, что является важной причиной, влияющей на низкотемпературные характеристики литий-железо-фосфатных аккумуляторов.
4. СЭИ-мембрана
В условиях низких температур пленка SEI на отрицательном электроде литий-железо-фосфатных аккумуляторов утолщается, а импеданс пленки SEI увеличивается, что приводит к снижению скорости проводимости ионов лития в пленке SEI. В конечном итоге поляризация, образующаяся при зарядке и разрядке в условиях низких температур, снижает эффективность зарядки и разрядки.
5. Производственная среда
Литий-железо-фосфатные батареи являются высокотехнологичным продуктом с многочисленными химическими сырьевыми материалами и сложными процессами и предъявляют высокие требования к температуре, влажности, пыли и другим факторам в производственной среде. Если не контролировать должным образом, качество батареи будет колебаться.
Резюме: В настоящее время на низкотемпературные характеристики литий-железо-фосфатных аккумуляторов влияет множество факторов, таких как структура положительного электрода, скорость миграции ионов лития в различных частях аккумулятора, толщина и химический состав пленки SEI, и подбор солей лития и растворителей в электролите. Низкотемпературные характеристики ограничивают применение литий-ионных аккумуляторов в электромобилях, специальных областях и экстремальных условиях. Разработка литий-ионных аккумуляторов с отличными низкотемпературными характеристиками является острой потребностью на рынке.
