ביצועים בטמפרטורה נמוכה של סוללות ליתיום

בסביבת טמפרטורה נמוכה, ביצועי סוללת ליתיום-יון אינם אידיאליים. כאשר סוללות ליתיום-יון נפוצות פועלות ב-10 מעלות צלזיוס, קיבולת הטעינה והפריקה המקסימלית שלהן ומתח המסוף יופחתו באופן משמעותי בהשוואה לטמפרטורה רגילה [6], כאשר טמפרטורת הפריקה תרד ל-20 מעלות צלזיוס, הקיבולת הזמינה תהיה אפילו להיות מופחת ל-1/3 בטמפרטורת החדר 25 מעלות צלזיוס, כאשר טמפרטורת הפריקה נמוכה יותר, סוללות ליתיום מסוימות לא יכולות אפילו לטעון ולפרוק פעילויות, ונכנסות למצב "סוללה מתה".

1, המאפיינים של סוללות ליתיום-יון בטמפרטורות נמוכות
(1) מקרוסקופי
השינויים האופייניים של סוללת ליתיום-יון בטמפרטורה נמוכה הם כדלקמן: עם הירידה המתמשכת בטמפרטורה, ההתנגדות האוהמית והתנגדות הקיטוב עולים בדרגות שונות; מתח הפריקה של סוללת ליתיום-יון נמוך מזה של טמפרטורה רגילה. בעת טעינה ופריקה בטמפרטורה נמוכה, מתח ההפעלה שלו עולה או יורד מהר יותר מזה שבטמפרטורה רגילה, וכתוצאה מכך ירידה משמעותית בקיבולת השימוש וההספק המרביים שלו.

(2) מיקרוסקופית
השינויים בביצועים של סוללות ליתיום-יון בטמפרטורות נמוכות נובעים בעיקר מהשפעת הגורמים החשובים הבאים. כאשר טמפרטורת הסביבה נמוכה מ-20℃, האלקטרוליט הנוזלי מתמצק, הצמיגות שלו עולה בחדות והמוליכות היונית שלו יורדת. דיפוזיה של יוני ליתיום בחומרי אלקטרודה חיוביים ושליליים היא איטית; ליתיום יון קשה לפירוק, והעברתו בסרט SEI איטית, ועכבת העברת המטען עולה. בעיית הליתיום דנדריט בולטת במיוחד בטמפרטורה נמוכה.

2, כדי לפתור את ביצועי הטמפרטורה הנמוכה של סוללות ליתיום-יון
תכנן מערכת נוזלית אלקטרוליטית חדשה כדי לענות על סביבת הטמפרטורה הנמוכה; שפר את מבנה האלקטרודה החיובית והשלילית כדי להאיץ את מהירות השידור ולקצר את מרחק השידור; שליטה בממשק אלקטרוליט מוצק חיובי ושלילי כדי להפחית את העכבה.

(1) תוספי אלקטרוליטים
באופן כללי, השימוש בתוספים פונקציונליים הוא אחת הדרכים היעילות והחסכוניות ביותר לשפר את ביצועי הטמפרטורה הנמוכה של הסוללה ולעזור ליצור סרט SEI האידיאלי. כיום, הסוגים העיקריים של התוספים הם תוספים מבוססי איזוציאנאט, תוספים מבוססי גופרית, תוספים נוזליים יוניים ותוספי מלח ליתיום אנאורגניים.

לדוגמה, תוספים המבוססים על גופרית דימתיל סולפיט (DMS), עם פעילות הפחתה מתאימה, ומכיוון שתוצרי ההפחתה וקשירת הליתיום יון חלשים יותר מוויניל סולפט (DTD), הקלה על השימוש בתוספים אורגניים תגביר את עכבת הממשק, כדי לבנות מוליכות יונית יציבה יותר וטובה יותר של סרט ממשק האלקטרודה השלילי. לאסטרים הסולפיטים המיוצגים על ידי דימתיל סולפיט (DMS) יש קבוע דיאלקטרי גבוה וטווח טמפרטורות פעולה רחב.

(2) הממס של האלקטרוליט
האלקטרוליט המסורתי של סוללת ליתיום-יון מיועד להמיס 1 מול של ליתיום הקספלואורופוספט (LiPF6) לתוך ממס מעורב, כגון EC, PC, VC, DMC, מתיל אתיל קרבונט (EMC) או דיאתיל קרבונט (DEC), כאשר ההרכב של הממס, נקודת ההיתוך, הקבוע הדיאלקטרי, הצמיגות והתאימות למלח ליתיום ישפיעו ברצינות על טמפרטורת הפעולה של הסוללה. נכון לעכשיו, קל להתמצק את האלקטרוליט המסחרי כשהוא מיושם על סביבת הטמפרטורה הנמוכה של -20 ℃ ומטה, הקבוע הדיאלקטרי הנמוך מקשה על פירוק מלח הליתיום, והצמיגות גבוהה מדי כדי להפוך את הסוללה להתנגדות פנימית ונמוכה פלטפורמת מתח. לסוללות ליתיום-יון יכולות להיות ביצועים טובים יותר בטמפרטורות נמוכות על ידי אופטימיזציה של יחס הממס הקיים, כגון על ידי אופטימיזציה של ניסוח האלקטרוליט (EC:PC:EMC=1:2:7) כך שלאלקטרודה שלילית TiO2(B)/גרפן תהיה A קיבולת של ~240 mA h g-1 ב-20℃ וצפיפות זרם של 0.1 A g-1. או לפתח ממיסים אלקטרוליטים חדשים בטמפרטורה נמוכה. הביצועים הגרועים של סוללות ליתיום-יון בטמפרטורות נמוכות קשורות בעיקר להתפרקות האיטית של Li+ במהלך תהליך הטבעת Li+ בחומר האלקטרודה. ניתן לבחור חומרים בעלי אנרגיית קישור נמוכה בין Li+ לבין מולקולות ממס, כגון 1,3-dioxopentylene (DIOX), וליתיום טיטנאט בקנה מידה ננומטרי משמש כחומר האלקטרודה להרכבת מבחן הסוללה כדי לפצות על מקדם הדיפוזיה המופחת של חומר אלקטרודה בטמפרטורות נמוכות במיוחד, כדי להשיג ביצועים טובים יותר בטמפרטורה נמוכה.

(3) מלח ליתיום
נכון להיום, ליון LiPF6 המסחרי יש מוליכות גבוהה, דרישות לחות גבוהות בסביבה, יציבות תרמית ירודה וגזים רעים כגון HF בתגובת מים קלים לגרום לסכנות בטיחותיות. סרט האלקטרוליט המוצק המיוצר על ידי ליתיום דיפלואורקסלט בוראט (LiODFB) יציב מספיק ובעל ביצועים טובים יותר בטמפרטורה נמוכה וביצועים בקצב גבוה יותר. הסיבה לכך היא של-LiODFB יש את היתרונות של ליתיום דיוקסלט בוראט (LiBOB) וגם של LiBF4.

3. סיכום
ביצועי הטמפרטורה הנמוכה של סוללות ליתיום-יון יושפעו מהיבטים רבים כגון חומרי אלקטרודות ואלקטרוליטים. שיפור מקיף מנקודות מבט מרובות כגון חומרי אלקטרודות ואלקטרוליט יכול לקדם את היישום והפיתוח של סוללות ליתיום-יון, והסיכוי ליישום של סוללות ליתיום טוב, אך יש לפתח ולשכלל את הטכנולוגיה במחקר נוסף.