עם ההתפתחות המהירה של כלי רכב חשמליים ברחבי העולם, גודל השוק של כלי רכב חשמליים הגיע ל-1 טריליון דולר בשנת 2020 וימשיך לגדול בקצב של יותר מ-20% בשנה בעתיד. לכן, כלי רכב חשמליים כאמצעי תחבורה עיקרי, דרישות הביצועים עבור סוללות חשמל יהיו גבוהות יותר ויותר, ואין להתעלם מההשפעה של ריקבון הסוללה על ביצועי סוללת החשמל בסביבות בטמפרטורה נמוכה. הסיבות העיקריות להתפרקות הסוללה בסביבות בטמפרטורה נמוכה הן: ראשית, הטמפרטורה הנמוכה משפיעה על ההתנגדות הפנימית הקטנה של הסוללה, אזור הדיפוזיה התרמי גדול וההתנגדות הפנימית של הסוללה עולה. שנית, הסוללה בתוך ומחוץ קיבולת העברת המטען היא ירודה, עיוות הסוללה יתרחש כאשר הקיטוב המקומי בלתי הפיך. שלישית, הטמפרטורה הנמוכה של התנועה המולקולרית של האלקטרוליט היא איטית וקשה לפיזור בזמן כשהטמפרטורה עולה. לכן, התפרקות סוללה בטמפרטורה נמוכה היא חמורה, וכתוצאה מכך פגיעה רצינית בביצועי הסוללה.
1, המצב של טכנולוגיית סוללה בטמפרטורה נמוכה
דרישות הביצועים הטכניות והחומריות של סוללות ליתיום-יון המוכנות בטמפרטורות נמוכות הן גבוהות. הירידה החמורה בביצועים של סוללת ליתיום-יון בסביבת טמפרטורה נמוכה נובעת מהגדלת ההתנגדות הפנימית, מה שמוביל לקושי בפיזור אלקטרוליטים ולקיצור חיי מחזור התא. לכן, המחקר על טכנולוגיית הסוללה בטמפרטורה נמוכה התקדם בשנים האחרונות. לסוללות ליתיום-יון מסורתיות בטמפרטורה גבוהה יש ביצועים גרועים בטמפרטורה גבוהה, וביצועיהן עדיין לא יציבים בתנאי טמפרטורה נמוכה; נפח גדול של תאים בטמפרטורה נמוכה, קיבולת נמוכה וביצועים גרועים של מחזור בטמפרטורה נמוכה; הקיטוב חזק משמעותית בטמפרטורה נמוכה מאשר בטמפרטורה גבוהה; צמיגות מוגברת של אלקטרוליט בטמפרטורה נמוכה מובילה להפחתה במספר מחזורי הטעינה/הפריקה; בטיחות מופחתת של תאים וחיי סוללה מופחתים בטמפרטורה נמוכה; וביצועים מופחתים בשימוש בטמפרטורה נמוכה. בנוסף, חיי המחזור הקצרים של הסוללה בטמפרטורה נמוכה וסיכוני הבטיחות של תאים בטמפרטורה נמוכה הציעו דרישות חדשות לבטיחות סוללות חשמל. לכן, הפיתוח של חומרי סוללות כוח יציבים, בטוחים, אמינים ובעלי חיים ארוכים עבור סביבות בטמפרטורה נמוכה הוא מוקד המחקר על סוללות ליתיום-יון בטמפרטורה נמוכה. כיום, ישנם מספר חומרי סוללת ליתיום-יון בטמפרטורה נמוכה: (1) חומרי אנודה מתכת ליתיום: מתכת ליתיום נמצאת בשימוש נרחב בכלי רכב חשמליים בגלל היציבות הכימית הגבוהה, מוליכות החשמל הגבוהה וביצועי טעינה ופריקה בטמפרטורה נמוכה; (2) חומרי אנודת פחמן נמצאים בשימוש נרחב בכלי רכב חשמליים בגלל עמידותם הטובה בחום, ביצועי מחזור בטמפרטורה נמוכה, מוליכות חשמלית נמוכה וחיי מחזור בטמפרטורה נמוכה בטמפרטורות נמוכות; (3) חומרי אנודת פחמן נמצאים בשימוש נרחב בכלי רכב חשמליים בגלל עמידותם הטובה בחום, ביצועי מחזור בטמפרטורה נמוכה, מוליכות חשמלית נמוכה וחיי מחזור בטמפרטורה נמוכה. ב; (3) לאלקטרוליטים אורגניים יש ביצועים טובים בטמפרטורה נמוכה; (4) אלקטרוליטים פולימריים: שרשראות מולקולריות פולימריות קצרות יחסית ובעלות זיקה גבוהה; (5) חומרים אנאורגניים: לפולימרים אנאורגניים יש פרמטרים טובים של ביצועים (מוליכות) ותאימות טובה בין פעילות האלקטרוליטים; (6) תחמוצות מתכת פחותות; (7) חומרים אנאורגניים: פולימרים אנאורגניים וכו'.
2, ההשפעה של סביבת טמפרטורה נמוכה על סוללת ליתיום
חיי המחזור של סוללות ליתיום תלויים בעיקר בתהליך הפריקה, בעוד שטמפרטורה נמוכה היא גורם בעל השפעה גדולה יותר על חיי מוצרי הליתיום. בדרך כלל, בסביבה של טמפרטורה נמוכה, פני הסוללה יעברו שינוי פאזה שיגרום נזק למבנה פני השטח, מלווה בהפחתת קיבולת וקיבולת התא. בתנאי טמפרטורה גבוהים, נוצר גז בתא, אשר יאיץ דיפוזיה תרמית; בטמפרטורה נמוכה, לא ניתן לפרוק גז בזמן, מה שמאיץ את שינוי הפאזה של נוזל הסוללה; ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, כך נוצר יותר גז ושינוי הפאזה של נוזל הסוללה איטי יותר. לכן, שינוי החומר הפנימי של הסוללה הוא דרסטי ומורכב יותר בטמפרטורה נמוכה, וקל יותר ליצור גזים ומוצקים בתוך חומר הסוללה; במקביל, הטמפרטורה הנמוכה תוביל לסדרה של תגובות הרסניות כגון שבירת קשר כימי בלתי הפיך בממשק שבין חומר הקתודה לאלקטרוליט; זה גם יוביל להפחתת ההרכבה העצמית של האלקטרוליטים וחיי המחזור; יכולת העברת מטען יון הליתיום לאלקטרוליט תופחת; תהליך הטעינה והפריקה יגרום לסדרה של תגובות שרשרת כגון תופעת קיטוב במהלך העברת מטען ליתיום, דעיכה בקיבולת הסוללה ושחרור מתח פנימי, אשר משפיע על חיי המחזור וצפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום יון ופונקציות אחרות. ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר בטמפרטורה נמוכה, כך התגובות ההרסניות השונות אינטנסיביות ומורכבות יותר כמו תגובת חיזור על פני הסוללה, דיפוזיה תרמית, שינוי פאזה בתוך התא ואפילו הרס מוחלט יגרמו בתורם סדרה של תגובות שרשרת כמו אלקטרוליט. הרכבה עצמית, ככל שמהירות התגובה איטית יותר, כך ירידת קיבולת הסוללה חמורה יותר, ויכולת נדידת מטען הליתיום בטמפרטורה גבוהה יותר.
3、 טמפרטורה נמוכה בהתקדמות של סיכויי מחקר בטכנולוגיית סוללת ליתיום
בסביבת הטמפרטורה הנמוכה, הבטיחות, חיי המחזור ויציבות טמפרטורת התא של הסוללה יושפעו, ולא ניתן להתעלם מהשפעת הטמפרטורה הנמוכה על חיי סוללות הליתיום. נכון לעכשיו, מחקר ופיתוח טכנולוגיית הסוללה בטמפרטורה נמוכה באמצעות דיאפרגמה, אלקטרוליט, חומרים חיוביים ושליליים של אלקטרודות ושיטות אחרות עשו התקדמות מסוימת. בעתיד, יש לשפר את הפיתוח של טכנולוגיית סוללת ליתיום בטמפרטורה נמוכה מההיבטים הבאים: (1) פיתוח מערכת חומרי סוללות ליתיום עם צפיפות אנרגיה גבוהה, חיים ארוכים, הנחתה נמוכה, גודל קטן ועלות נמוכה בטמפרטורה נמוכה. ; (2) שיפור מתמיד של בקרת ההתנגדות הפנימית של הסוללה באמצעות עיצוב מבני וטכנולוגיית הכנת חומרים; (3) בפיתוח של מערכת סוללת ליתיום בעלת קיבולת גבוהה ובעלות נמוכה, יש לשים לב לתוספי אלקטרוליטים, ליתיום יון וממשק האנודה והקתודה וחומר פעיל פנימי וגורמים מרכזיים אחרים המשפיעים; (4) לשפר את ביצועי מחזור הסוללה (טעינה ופריקה של אנרגיה ספציפית), את היציבות התרמית של הסוללה בסביבת טמפרטורה נמוכה, את הבטיחות של סוללות ליתיום בסביבת טמפרטורה נמוכה וכיוון אחר של פיתוח טכנולוגיית סוללה; (5) לפתח ביצועי בטיחות גבוהים, עלות גבוהה ובעלות נמוכה פתרונות מערכת סוללות כוח בתנאי טמפרטורה נמוכה; (6) לפתח מוצרים הקשורים לסוללה בטמפרטורה נמוכה ולקדם את היישום שלהם; (7) לפתח חומרי סוללה עמידים בטמפרטורה נמוכה וטכנולוגיית מכשירים בעלי ביצועים גבוהים.
כמובן, בנוסף להנחיות המחקר לעיל, ישנם גם כיווני מחקר רבים לשיפור נוסף של ביצועי הסוללה בתנאי טמפרטורה נמוכים, שיפור צפיפות האנרגיה של סוללות בטמפרטורה נמוכה, צמצום השפלת הסוללה בסביבות טמפרטורה נמוכה, הארכת חיי הסוללה ומחקר אחר. הִתקַדְמוּת; אבל הנושא החשוב יותר הוא כיצד להשיג ביצועים גבוהים, בטיחות גבוהה, עלות נמוכה, טווח גבוה, חיים ארוכים ומסחור בעלות נמוכה של סוללות בתנאי טמפרטורה נמוכים הוא הנוכחי. המחקר צריך להתמקד בפריצת הדרך ופתרון הבעיה.
זמן פרסום: 22 בנובמבר 2022