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Tieftemperaturtest für Li-Ionen-EV-Batterie

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Tieftemperaturtest für Li-Ionen-EV-Batterie

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Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Spannung, ihrer hohen spezifischen Energie und ihrer guten Zyklenfestigkeit häufig in Elektrofahrzeugen eingesetzt.

1 Test

Am Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Nennkapazität von 70Ah für Elektrofahrzeuge wurden ein Kapazitätstest bei Raumtemperatur (20 ℃) und ein Kapazitätstest bei niedrigen Temperaturen (-20 ℃) durchgeführt, um die Auswirkungen der Temperatur auf die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien zu vergleichen. Die Lithium-Ionen-Batterie hat eine Ladeschlussspannung von 36 V und eine Entladeschlussspannung von 2,0 V. Dann werden Entladekapazitätstests in Umgebungen von 20 ℃ und -20 ℃ durchgeführt, und der Test wird beendet, wenn die Entladeschlussspannung 2,0 V beträgt.

2 Hauptfaktoren, die die Tieftemperaturkapazität beeinflussen

Die Tieftemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien wird hauptsächlich durch die Art der Elektrolyte, der positiven und negativen Elektrodenmaterialien usw. beeinflusst. Die Tieftemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien hängt auch von der Art des Elektrolyten sowie der positiven und negativen Elektrodenmaterialien ab. Bei niedrigen Temperaturen führt die Verfestigung einiger Lösungsmittel im Batterieelektrolyt zu Schwierigkeiten bei der Ionenwanderung und zu einer Abnahme der Leitfähigkeit; der Übertragungswiderstand der Lithiumionen in den Elektrodenmaterialien nimmt zu; die Lithiumdiffusion und der Ladungstransfer zwischen der Elektrode und der Elektrolytgrenzfläche sind langsamer, und die Benetzbarkeit des Elektrolyten mit dem Separator und das Eindringen der Lithiumionen in den Separator werden schlechter.

2.1 Der Einfluss des Elektrolyten

Der Einfluss des Elektrolyten ist ein wichtiger Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien. Der Ionentransfer zwischen der positiven und der negativen Elektrode im Inneren der Batterie erfolgt im Allgemeinen mit einem Gemisch aus nichtwässrigen organischen Lösungsmitteln, die in Lithiumsalzen gelöst sind. Organische Lösungsmittel wie Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC) und Methylethylcarbonat (EMC) werden derzeit häufig in Lithium-Ionen-Batterie-Elektrolyten verwendet. Der Einfluss der Elektrolyte auf die Leistung bei niedrigen Temperaturen spiegelt sich hauptsächlich in ihren Auswirkungen auf die Leitfähigkeit und die Eigenschaften des Films an der Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) wider.

1) Leitfähigkeit.

Die Leitfähigkeit ist ein wichtiger Parameter zur Messung der Leistung von Elektrolyten, und eine höhere Leitfähigkeit ist eine notwendige Voraussetzung für eine gute Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen. Bei organischen Lösungsmitteln sind die wichtigsten Faktoren, die die Leitfähigkeit beeinflussen, die Dielektrizitätskonstante und die Viskosität des Lösungsmittels. Je größer die Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels ist, desto schwächer ist die elektrostatische Kraft zwischen Lithiumionen und Anionen, und desto leichter können sich Lithiumsalze zersetzen und die Zahl der freien Ionen erhöhen.

Die Viskosität der Lösungsmittel wirkt sich hauptsächlich auf die Mobilität der freien Ionen aus. Je höher die Viskosität ist, desto geringer ist die Mobilität und desto niedriger ist die Leitfähigkeit. Umgekehrt ist das Gegenteil der Fall. Wenn die Temperatur sinkt, verringert die Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels die Wechselwirkungskraft zwischen Lithiumionen und Anionen, und die Zersetzung des Lithiumsalzes wird erschwert. Mit sinkender Temperatur nimmt die Viskosität des Elektrolyten zu, und die Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen nimmt ab. Dadurch wird die Leitfähigkeit der Batterie verringert und die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien beeinträchtigt.

2) SEI-Membran.

Die Zusammensetzung des Elektrolyten bestimmt nicht nur die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten, sondern beeinflusst auch die Bildung von SEI-Filmen (Festelektrolytphase). Die Leistung der SEI-Membranen hat einen erheblichen Einfluss auf die irreversible Kapazität, die Leistung bei niedrigen Temperaturen, die Zyklusleistung und die Sicherheitsleistung von Batterien. Ein hervorragender SEI-Film sollte so unlöslich in organischen Lösungsmitteln sein, dass sich Lithiumionen ungehindert in die Elektrode einbetten oder von ihr lösen können, während die Lösungsmittelmoleküle nicht eindringen können, wodurch eine Beschädigung der Elektrode durch Lösungsmittelmoleküle verhindert und die Lebensdauer der Batterie verbessert wird.

Forschungen haben ergeben, dass der Widerstand des SEI-Films viel größer ist als der des Elektrolyten, und dass mit sinkender Temperatur der Widerstand des SEI-Films zunimmt, was zu einer schnellen Verschlechterung der Batterieleistung führt. Eine angemessene Menge an filmbildenden Additiven kann dem Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien zugesetzt werden, um den SEI-Filmwiderstand zu verringern, die Leistung des SEI-Films zu verbessern und somit die Niedrigtemperaturleistung der Batterie zu erhöhen.

2.2 Einfluss der Partikelgröße der Elektrodenmaterialien

Unter niedrigen Temperaturbedingungen deutet die Abnahme der Entladespannung der Batterie auf eine Zunahme der Polarisierung der inneren und äußeren Schichten der positiven und negativen Elektrodenpartikel hin, d. h. auf eine Zunahme der Übertragungsimpedanz der positiven und negativen Lithiumionen-Elektrodenfeststoffpartikel, was zu einem vorzeitigen Erreichen der Entladeschlussspannung während des Entladevorgangs und einer entsprechenden Abnahme der Entladekapazität führt.

Die Forschung hat ergeben, dass voll geladene Graphitelektroden bei niedrigen Temperaturen unter -20 ℃ relativ leicht eingebettete Lithiumionen freisetzen können. Bei der gleichen Temperatur stößt die Einbettung von Lithiumionen in vollständig entladene Graphitelektroden jedoch auf ernsthafte Hindernisse. Durch die Verringerung der Partikelgröße des Elektrodenmaterials wird die Tieftemperaturleistung der Batterie erheblich verbessert.

2.3 Optimierung und Verbesserung der Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien

Wir haben die Formeln und Prozesse des Elektrolyten und der Elektrodenmaterialien für die oben genannten, nicht qualifizierten Produkte mit 70Ah Niedertemperaturkapazität eingehend analysiert und erforscht. Der Produktelektrolyt wurde von einem ternären Elektrolytlösungsmittel, bestehend aus EC, DMC und DEC, auf ein quaternäres Elektrolytlösungsmittel, bestehend aus EC, PC, DMC und DEC, umgestellt.

Die Arten von Lithiumsalzen und Zusatzstoffen blieben unverändert, aber das Verhältnis wurde angepasst, um den Herstellungsprozess der Elektrodenmaterialien zu verbessern. Der Elektrolyt wurde Dutzenden von proportionalen Anpassungen und Experimenten unterzogen, um die Partikel des Elektrodenmaterials kleiner zu machen.

Die verbesserte Batterie hat eine Entladestartspannung von 3,293 V und eine Entladeschlussspannung von 2,0 V bei 20 ℃. Die Entladekapazität von 74,6 Ah entspricht 106,6 % der Nennkapazität und erfüllt damit die Normanforderungen. Die Entladekapazität bei 20 ℃ liegt zwischen 100 % und 110 % der Nennkapazität; bei -20 ℃ beträgt die Entladestartspannung 3,189 V und die Entladeschlussspannung 2,0 V. Die Entladekapazität beträgt 56,1Ah, das sind 80,1% der Nennkapazität. Die Entladekapazität bei -20 ℃, die den Standardanforderungen entspricht, beträgt nicht weniger als 70 % der Nennkapazität (49,0 Ah)

3 Schlussfolgerung

Unter Tieftemperaturbedingungen verschlechtert sich die Entladeleistung von Lithium-Ionen-Stromversorgungsbatterien. Die Entladespannung sinkt, und die Entladekapazität nimmt deutlich ab. Aufgrund der Tieftemperatureigenschaften der oben genannten Batterien stellen sie ein erhebliches Hindernis für die Verbreitung und Entwicklung von Elektrofahrzeugen in Tieftemperaturgebieten dar. Daher ist eine deutliche Verbesserung der Tieftemperaturleistung von Batterien für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen förderlich und begünstigt auch die Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien im Militär, in der Luft- und Raumfahrt und in anderen Bereichen.