冬にリチウム電池の容量が少なくなるのはなぜですか、ついに誰かが説明できます！
リチウム-イオン電池が市場に登場して以来、長寿命、大きな比容量、メモリー効果がないという利点から広く使用されています。 リチウム-イオン電池の低温使用には、容量の低下、深刻な減衰、サイクルレートのパフォーマンスの低下、明らかなリチウムの堆積、リチウムの不均衡な抽出などの問題があります。 しかし、アプリケーション分野の継続的な拡大に伴い、リチウム-イオン電池の低温性能の低さによって引き起こされる制約がますます明らかになっています。
報告によると、- 20度でのリチウム-イオン電池の放電容量は、室温での放電容量の約31.5パーセントにすぎません。 従来のリチウム-イオン電池の動作温度は、- 20からプラス55度の間です。 ただし、航空宇宙、軍事産業、電気自動車などの分野では、バッテリーは-40度で正常に動作する必要があります。 したがって、リチウムイオン電池の低温特性を改善することは非常に重要です。
リチウム-イオン電池の低温性能を制限する要因
低温環境では、電解質の粘度が上昇し、部分的に固化するため、リチウム-イオン電池の導電率が低下します。 低温環境では、電解液と負極およびセパレータの相溶性が悪くなります。 リチウム-イオン電池の負極は低温環境下で深刻なリチウム析出を起こし、析出した金属リチウムは電解液と反応し、その生成物の堆積により固体の厚みが増します-電解質インターフェース（SEI）。 低温環境では、活物質中のLi -イオン電池の拡散系が減少し、電荷移動抵抗（Rct）が大幅に増加します。
リチウム-イオン電池の低温性能に影響を与える要因に関する議論
専門家の意見1：電解質はリチウム-イオン電池の低温性能に最大の影響を及ぼし、電解質の組成と物理化学的特性は低温に重要な影響を及ぼします{{3} }バッテリーの温度性能。 低温で電池が直面する問題は、電解質の粘度が高くなり、イオン伝導速度が遅くなり、外部回路の電子移動速度が不一致になるため、電池がひどく分極することです。充放電容量は急激に減少します。 特に低温で充電する場合、リチウムイオンは負極の表面にリチウムデンドライトを形成しやすく、電池の故障につながります。
電解質の低温性能は、電解質自体の導電率の大きさに密接に関係しています。 導電率の高い電解液はイオンを素早く透過し、低温でより多くの容量を発揮します。 電解質中のリチウム塩の解離が多いほど、移動回数が多くなり、導電率が高くなります。 導電率が高いほど、イオン伝導率が速くなり、分極が少なくなり、低温でのバッテリーの性能が向上します。 したがって、リチウム-イオン電池の良好な低温性能を達成するには、より高い導電率が必要な条件です。
電解質の導電率は電解質の組成に関係しており、溶媒の粘度を下げることは電解質の導電率を改善する方法の1つです。 低温での溶媒の良好な流動性はイオン輸送の保証であり、低温で負極の電解質によって形成される固体電解質膜もリチウムイオンの伝導に影響を与えるための鍵であり、RSEIが主なインピーダンスです低温環境でのリチウムイオン電池の使用。
専門家2：リチウム-イオン電池の低温性能を制限する主な要因は、SEIフィルムではなく、低温でのLiと拡散抵抗の急激な増加です。
リチウムイオン電池用カソード材料の低温特性
1.層状カソード材料の低温特性
層状構造は、1次元のリチウムイオン拡散チャネルの比類のない速度性能を備えているだけでなく、3次元のチャネルの構造的安定性も備えています。 これは、リチウムイオン電池用の最も初期の市販のカソード材料です。 その代表的な物質は、LiCoO2、Li（Co1-xNix）O2、Li（Ni、Co、Mn）O2などです。
Xie Xiaohua etal。 LiCoO2 / MCMBを研究対象とし、その低温-温度充電-放電特性をテストしました。
The results show that with the decrease of temperature, the discharge platform drops from 3.762V (0 degree ) to 3.207V (–30 degree ); the total battery capacity also decreases sharply from 78.98mA·h (0 degree ) to 68.55mA·h (–30 degree ).
2.スピネル-構造化カソード材料の低温特性-
スピネル構造のLiMn2O4カソード材料は、Co元素を含まないため、低コストで毒性がないという利点があります。
ただし、Mnの原子価の変動とMn3plusのJahn - Teller効果により、このコンポーネントの構造が不安定になり、可逆性が低下します。
Peng Zhengshun etal。 異なる調製方法がLiMn2O4カソード材料の電気化学的性能に大きな影響を与えることを指摘しました。 Rctを例にとると、高温固相-相法で合成されたLiMn2O4のRctは、sol -ゲル法よりも大幅に高く、この現象はリチウムイオン法に見られます。 拡散係数も反映されます。 その理由は、さまざまな合成方法が製品の結晶化度と形態に大きな影響を与えるためです。
3.リン酸塩系の陰極材料の低温特性
LiFePO4は、その優れた体積安定性と安全性により、3成分材料とともに、現在のパワーバッテリーカソード材料の本体になっています。 リン酸鉄リチウムの低温性能が低いのは、主に材料自体が絶縁体であり、電子伝導性が低く、リチウムイオン拡散性が低く、低温での伝導性が低いため、電池の内部抵抗が増加するためです。分極の影響を大きく受け、バッテリーの充電と放電を妨げます。 したがって、低温性能は理想的ではありません。
When studying the charge{{0}}discharge behavior of LiFePO4 at low temperature, Gu Yijie et al. found that its coulombic efficiency dropped from 100 percent at 55 degree to 96 percent at 0 degree and 64 percent at -20 degree , respectively; the discharge voltage decreased from 3.11V at 55 degree . Decrease to 2.62V at –20 degree .
Xing et al. modified LiFePO4 with nano-carbon and found that after adding nano-carbon conductive agent, the electrochemical performance of LiFePO4 was less sensitive to temperature, and the low-temperature performance was improved; the discharge voltage of modified LiFePO4 increased from 3.40 at 25 degree V drops to 3.09V at –25 degree , a decrease of only 9.12 percent ; and its cell efficiency at –25 degree is 57.3 percent , which is higher than 53.4 percent without nano-carbon conductive agent.
最近、LiMnPO4が大きな関心を集めています。 この研究では、LiMnPO4には、高電位（4.1V）、汚染なし、低価格、および大きな比容量（17 0 mAh / g）という利点があることがわかりました。 ただし、LiMnPO4のイオン伝導率はLiFePO4よりも低いため、実際にはFeを使用してMnを部分的に置き換え、LiMn 0。8Fe0.2PO4固溶体を形成します。
リチウムイオン電池用アノード材料の低温特性
リチウムイオン電池の負極材料の低温劣化は、正極材料と比較して、主に以下の3つの理由でより深刻です。
When the battery is charged and discharged at a high rate at low temperature, the polarization of the battery is serious, and a large amount of metal lithium is deposited on the surface of the negative electrode, and the reaction product of metal lithium and the electrolyte generally does not have conductivity; From the perspective of thermodynamics, the electrolyte contains a large amount of C–O, C– N etc.
The polar group can react with the negative electrode material, and the formed SEI film is more susceptible to low temperature; · The carbon negative electrode is difficult to intercalate lithium at low temperature, and there is asymmetric charge and discharge.
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低温電解質に関する研究
電解質はリチウム-イオン電池でLiplusを輸送する役割を果たし、そのイオン伝導性とSEI膜-形成特性は電池の低温性能に大きな影響を与えます- 。 低温電解質の長所と短所を判断するための3つの主要な指標があります：イオン伝導率、電位窓、電極反応性。 これらの3つの指標のレベルは、その構成材料である溶媒、電解質（リチウム塩）、および添加剤に大きく依存します。 したがって、電解液の各部分の低温性能に関する研究は、電池の低温性能を理解し、改善するために非常に重要です。
·Low-temperature characteristics of EC-based electrolytes Compared with chain carbonates, cyclic carbonates have a tighter structure, larger acting force, and higher melting point and viscosity. However, the large polarity brought by the ring structure makes it often have a large dielectric constant. The large dielectric constant, high ionic conductivity, and excellent film-forming properties of EC solvent effectively prevent the co-insertion of solvent molecules, making it indispensable. Therefore, most of the commonly used low-temperature electrolyte systems are based on EC, and then mixed Small molecule solvent with low melting point. ·Lithium salt is an important component of electrolyte. Lithium salt in the electrolyte can not only improve the ionic conductivity of the solution, but also reduce the diffusion distance of Li plus in the solution. In general, the greater the concentration of Li plus in the solution, the greater the ionic conductivity. However, the concentration of lithium ions in the electrolyte is not linearly related to the concentration of lithium salts, but is parabolic. This is because the concentration of lithium ions in the solvent depends on the strength of the dissociation and association of lithium salts in the solvent.
低温電解質に関する研究
バッテリー自体の構成に加えて、実際の動作におけるプロセス要因もバッテリーの性能に大きな影響を与えます。
（1）準備プロセス。 Yaqub etal。 LiNi 0。6Co 0。2Mn 0。2O2 /グラファイト電池の低温性能に対する電極負荷とコーティングの厚さの影響を研究し、容量保持の観点から、電極負荷が小さく、コーティング層が薄いほど、低温性能が向上します。 。
（2）充電および放電の状態。 ペツル他 バッテリーのサイクル寿命に対する低温充電-放電状態の影響を調査し、放電の深さが大きいと、容量損失が大きくなり、サイクル寿命が短くなることを発見しました。
（3）その他の要因。 表面積、細孔径、電極密度、電極と電解質の湿潤性、セパレーターなどはすべて、リチウム-イオン電池の低温性能に影響を与えます。 さらに、電池の低温性能に対する材料およびプロセスの欠陥の影響を無視することはできません。
要約する
リチウム-イオン電池の低温性能を確保するには、次の点を実行する必要があります。
（1）薄くて緻密なSEIフィルムを形成します。
（2）Liplusの活物質への拡散係数が大きいことを確認します。
（3）電解質は低温で高いイオン伝導性を持っています。
さらに、この研究では、別の種類のリチウム-イオン電池-すべての-固体-状態のリチウム-イオン電池を調べる別の方法も見つけることができます。 。 従来のリチウム-イオン電池と比較して、すべての-固体-状態のリチウム-イオン電池、特にすべての-固体-状態の薄い{ {11}}フィルムリチウム-イオン電池は、電池を低温で使用した場合の容量低下とサイクルの安全性の問題を完全に解決することが期待されています。
