Η επίδραση της περιεκτικότητας σε VC σε ηλεκτρολύτη στον φωσφορικό σίδηρο λιθίου

Το ανθρακικό βινυλένιο (VC) έχει εξαιρετική προσαρμοστικότητα τόσο σε υψηλές όσο και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η προσθήκη VC στον ηλεκτρολύτη μπορεί να βοηθήσει στο σχηματισμό ενός πιο σταθερού στρώματος SEI στην επιφάνεια της ανόδου σε μπαταρίες λιθίου. Επομένως, η περιεκτικότητα σε VC έχει σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση των μπαταριών φωσφορικού σιδήρου λιθίου (LiFePO4). Αυτή η εργασία μελετά συγκεκριμένα την επίδραση της περιεκτικότητας σε VC στην ηλεκτροχημική απόδοση των μπαταριών LiFePO4 υπό συνθήκες χαμηλής- θερμοκρασίας. Οι μπαταρίες LiFePO4 χρησιμοποιούνται ευρέως σε οχήματα νέας ενέργειας και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας λόγω της υψηλής ασφάλειας, της μεγάλης διάρκειας ζωής, της φιλικότητας προς το περιβάλλον και του σχετικά χαμηλού κόστους τους. Ωστόσο, αντιμετωπίζουν ζητήματα όπως η αποσύνθεση της ικανότητας εκφόρτισης και η μειωμένη διατήρηση ενέργειας σε χαμηλές θερμοκρασίες (ειδικά κάτω από -20 βαθμούς ), γεγονός που περιορίζει τη χρήση τους σε ψυχρές περιοχές. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, λειτουργικά πρόσθετα όπως το VC προστίθενται συχνά στον ηλεκτρολύτη για τη βελτίωση της ιοντικής αγωγιμότητας χαμηλής- θερμοκρασίας, την καταστολή των πλευρικών αντιδράσεων και τη σταθεροποίηση της διεπαφής του ηλεκτροδίου, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση της μπαταρίας σε χαμηλή θερμοκρασία.

Σε αυτή τη μελέτη, τέσσερα είδη ηλεκτρολυτών μπαταρίας LiFePO4 με διαφορετικές περιεκτικότητες VC (3,0%, 3,2%, 3,5%, 3,8%) παρασκευάστηκαν και συναρμολογήθηκαν σε κυψέλες θύλακα. Η κάθοδος χρησιμοποιούσε LiFePO4 και η άνοδος χρησιμοποιούσε τεχνητό γραφίτη. Όλες οι μπαταρίες παρασκευάστηκαν κάτω από τις ίδιες συνθήκες διεργασίας και υποβλήθηκαν σε σχηματισμό και διασπορά χωρητικότητας. Πραγματοποιήθηκαν ηλεκτροχημικές δοκιμές σε κάθε ομάδα μπαταριών στις -30 μοίρες για τη συστηματική σύγκριση βασικών δεικτών απόδοσης όπως η ικανότητα εκφόρτισης χαμηλής θερμοκρασίας, η αντίσταση συνεχούς ρεύματος (DCR), η ενεργειακή απόδοση και η διάρκεια ζωής του κύκλου.

1. Χαμηλή-Χωρητικότητα εκφόρτισης θερμοκρασίας

Δοκιμάζοντας τις καμπύλες CV της μπαταρίας σε συνθήκες χαμηλής- θερμοκρασίας και υπολογίζοντας τη χωρητικότητα της μπαταρίας από την ολοκληρωμένη περιοχή των καμπυλών CV.

Όταν το περιεχόμενο VC είναι 3,5%, η μπαταρία εμφανίζει την υψηλότερη χωρητικότητα εκφόρτισης σε -30 μοίρες (5,6 Ah), σημαντικά καλύτερη από άλλες ομάδες (3,0%, 3,2% και 3,8% αντιστοιχούν σε 4,6 Ah, 5,0 Ah και 5,0 Ah, αντίστοιχα). Μια κατάλληλη ποσότητα VC μπορεί να μειώσει το σημείο πήξης του ηλεκτρολύτη, να αυξήσει την κινητικότητα των ιόντων και να καταστείλει την κρυστάλλωση του διαλύτη, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση εκκένωσης σε χαμηλή θερμοκρασία.

2. Αντίσταση συνεχούς ρεύματος (DCR)

Οι δοκιμές DCR της μπαταρίας δείχνουν ότι όταν το περιεχόμενο VC είναι 3,5%, το DCR είναι χαμηλότερο (0,76 mΩ), υποδεικνύοντας χαμηλότερη αντίσταση διεπαφής και υψηλότερη απόδοση μεταφοράς ιόντων λιθίου-. Η υπερβολική περιεκτικότητα σε VC (π.χ. 3,8%) οδηγεί σε αύξηση του DCR, υποδηλώνοντας ότι η υπερβολική ποσότητα VC μπορεί να αυξήσει την αντίσταση της διεπιφανειακής αντίδρασης.

3. Χαμηλή-Ενεργειακή απόδοση σε θερμοκρασία

Όταν η περιεκτικότητα σε VC είναι 3,5%, η μπαταρία παρουσιάζει την υψηλότερη ενεργειακή απόδοση στους -30 βαθμούς (82,0%), ξεπερνώντας άλλες ομάδες (72,5%~79,0%). Αυτό αποδίδεται στο VC που προωθεί το σχηματισμό μιας σταθερής μεμβράνης SEI, μειώνοντας τις απώλειες πόλωσης και βελτιώνοντας την απόδοση μετατροπής ενέργειας.

4. Κύκλος Ζωής

Μετά από 300 κύκλους, η μπαταρία με 3,5% περιεκτικότητα σε VC παρουσιάζει την υψηλότερη διατήρηση χωρητικότητας (97,5%), ξεπερνώντας τις άλλες ομάδες (90,0%~96,1%). Το VC μπορεί να επιδιορθώσει δυναμικά τα ελαττώματα του φιλμ SEI κατά τη διάρκεια της ανακύκλωσης, να εμποδίσει την αποσύνθεση ηλεκτρολυτών και την παραγωγή αερίου, επεκτείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του κύκλου της μπαταρίας σε χαμηλές θερμοκρασίες.

ACEY-BA3040-20εξοπλισμός δοκιμής κύκλου μπαταρίαςχρησιμοποιείται για τον έλεγχο της διάρκειας ζωής, της αξιοπιστίας, της χωρητικότητας και άλλων παραμέτρων της μπαταρίας μέσω της δοκιμής κυκλικής φόρτισης και εκφόρτισης.

• Το VC μειώνεται κατά προτίμηση στην επιφάνεια της ανόδου του γραφίτη πριν από τα μόρια του διαλύτη κατά την αρχική διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, σχηματίζοντας ένα πυκνό φιλμ SEI πλούσιο σε ανόργανα συστατικά όπως Li2CO3. Αυτό το φιλμ έχει σχετικά υψηλό συντελεστή διάχυσης ιόντων λιθίου-.

• Μια κατάλληλη ποσότητα VC μπορεί να βελτιστοποιήσει τη δομή διαλυτοποίησης του ηλεκτρολύτη, να μειώσει το ιξώδες και να βελτιώσει την ιοντική αγωγιμότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες.

• Το υπερβολικό VC μπορεί να οδηγήσει σε υπερβολικά παχύ φιλμ SEI ή αυξημένη σύνθετη αντίσταση, η οποία είναι στην πραγματικότητα επιζήμια για τη βελτίωση της απόδοσης.

Αν και το άρθρο διεξήγαγε πειράματα συγκρίνοντας διαφορετικές ποσότητες VC και πραγματοποίησε ορισμένες δοκιμές, προσδιορίζοντας το βέλτιστο περιεχόμενο VC σε αυτό το πείραμα, δεν περιλάμβανε ομάδα ελέγχου χωρίς VC. Επομένως, δεν μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η προσθήκη VC βελτιώνει απαραίτητα την απόδοση της μπαταρίας.