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Test a bassa temperatura per batterie EV agli ioni di litio

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Test a bassa temperatura per batterie EV agli ioni di litio

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Le batterie agli ioni di litio sono state ampiamente utilizzate nel campo dei veicoli elettrici grazie alla loro alta tensione, all'elevata energia specifica e alle buone prestazioni di ciclaggio.

1 Test

Prendendo come esempio una batteria agli ioni di litio con una capacità nominale di 70Ah per veicoli elettrici, sono stati condotti un test di capacità a temperatura ambiente (20 ℃) e un test di capacità a bassa temperatura (-20 ℃) per confrontare l'impatto della temperatura sulla capacità delle batterie agli ioni di litio. La batteria agli ioni di litio ha una tensione di carica di 36V e una tensione di scarica di 2,0V. I test di capacità di scarica sono stati condotti in ambienti con temperature di 20 ℃ e -20 ℃ e il test è terminato quando la tensione di scarica è di 2,0V.

2 Principali fattori che influenzano la capacità a bassa temperatura

Le prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio sono influenzate principalmente dai tipi di elettroliti, dai materiali degli elettrodi positivi e negativi, ecc. Le prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio variano anche in base al tipo di elettrolita e ai materiali degli elettrodi positivi e negativi. In condizioni di bassa temperatura, la solidificazione di alcuni solventi nell'elettrolita della batteria comporta difficoltà nella migrazione degli ioni e una diminuzione della conduttività; la resistenza al trasferimento degli ioni di litio nei materiali degli elettrodi aumenta; la diffusione del litio e il trasferimento di carica tra l'interfaccia dell'elettrodo e l'elettrolita sono più lenti e la bagnabilità dell'elettrolita sul separatore e la penetrazione degli ioni di litio nel separatore peggiorano.

2.1 L'influenza dell'elettrolita

L'influenza dell'elettrolita è un componente importante delle batterie agli ioni di litio. Il trasferimento ionico tra gli elettrodi positivi e negativi all'interno della batteria avviene generalmente utilizzando una miscela di solventi organici non acquosi disciolti in sali di litio. I solventi organici come il carbonato di etilene (EC), il carbonato di propilene (PC), il carbonato di dimetile (DMC), il carbonato di dietile (DEC) e il carbonato di metile (EMC) sono attualmente ampiamente utilizzati negli elettroliti delle batterie agli ioni di litio. L'impatto degli elettroliti sulle prestazioni a bassa temperatura si riflette principalmente nei loro effetti sulla conduttività e sulle proprietà del film dell'interfaccia solido-elettrolita (SEI).

1) Conduttività.

La conduttività è un parametro importante per misurare le prestazioni degli elettroliti e una conduttività più elevata è una condizione necessaria per ottenere buone prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio. Dal punto di vista dei solventi organici, i principali fattori che influenzano la conduttività sono la costante dielettrica e la viscosità del solvente. Maggiore è la costante dielettrica del solvente, più debole è la forza elettrostatica tra gli ioni di litio e gli anioni e più facile è la decomposizione dei sali di litio e l'aumento del numero di ioni liberi.

La viscosità dei solventi influisce principalmente sulla mobilità degli ioni liberi. Maggiore è la viscosità, minore è la mobilità e minore è la conducibilità. Viceversa, è vero il contrario. Al diminuire della temperatura, la costante dielettrica del solvente diminuisce la forza di interazione tra gli ioni di litio e gli anioni, aumentando la difficoltà di decomposizione del sale di litio. Al diminuire della temperatura, aumenta la viscosità dell'elettrolita e diminuisce la velocità di migrazione degli ioni. Ciò riduce la conduttività della batteria e influisce sulla capacità delle batterie agli ioni di litio.

2) Membrana SEI.

La composizione dell'elettrolita non solo determina la conducibilità ionica dell'elettrolita, ma influisce anche sulla formazione dei film SEI (fase solida dell'elettrolita). Le prestazioni delle membrane SEI hanno un impatto significativo sulla capacità irreversibile, sulle prestazioni a bassa temperatura, sui cicli e sulla sicurezza delle batterie. Un eccellente film SEI deve avere un'insolubilità nei solventi organici che permetta agli ioni di litio di incorporarsi o staccarsi liberamente dall'elettrodo, mentre le molecole di solvente non possono penetrare, impedendo così alle molecole di solvente di danneggiare l'elettrodo e migliorando la durata del ciclo.

La ricerca ha rilevato che la resistenza del film SEI è molto maggiore della resistenza dell'elettrolita e che, al diminuire della temperatura, la resistenza del film SEI aumenta, con conseguente rapido deterioramento delle prestazioni della batteria. Una quantità adeguata di additivi per la formazione di film può essere aggiunta all'elettrolita delle batterie agli ioni di litio per ridurre la resistenza del film SEI, migliorare le prestazioni del film SEI e quindi migliorare le prestazioni a bassa temperatura della batteria.

2.2 Effetto della dimensione delle particelle dei materiali elettrodici

In condizioni di bassa temperatura, la diminuzione della tensione di scarica della batteria indica un aumento della polarizzazione degli strati interni ed esterni delle particelle positive e negative dell'elettrodo, ovvero un aumento dell'impedenza di trasmissione delle particelle solide positive e negative dell'elettrodo agli ioni di litio, che porta al raggiungimento prematuro della tensione di terminazione della scarica durante il processo di scarica e a una corrispondente diminuzione della capacità di scarica.

La ricerca ha rilevato che, in condizioni di bassa temperatura, gli elettrodi di grafite completamente carichi possono rilasciare con relativa facilità gli ioni di litio incorporati al di sotto dei -20 ℃. Tuttavia, alla stessa temperatura, l'incorporazione di ioni di litio in elettrodi di grafite completamente scarichi incontra seri ostacoli. Riducendo la dimensione delle particelle del materiale dell'elettrodo, le prestazioni a bassa temperatura della batteria miglioreranno significativamente.

2.3 Ottimizzazione e miglioramento dei materiali dell'elettrolita e dell'elettrodo

Abbiamo condotto un'analisi e una ricerca approfondita sulle formule e sui processi dell'elettrolita e dei materiali elettrodici per i prodotti non qualificati a bassa capacità a 70Ah di cui sopra. L'elettrolita del prodotto è stato adattato dal solvente elettrolitico ternario composto da EC, DMC e DEC a un solvente elettrolitico quaternario composto da EC, PC, DMC e DEC.

I tipi di sali di litio e di additivi sono rimasti invariati, ma le proporzioni sono state modificate per migliorare il processo di produzione dei materiali elettrodici, L'elettrolita è stato sottoposto a decine di regolazioni proporzionali e di esperimenti per rendere le particelle del materiale elettrodico più piccole.

La batteria migliorata ha una tensione di avvio della scarica di 3,293 V e una tensione di taglio della scarica di 2,0 V a 20 ℃. La capacità di scarica di 74,6Ah è pari al 106,6% della capacità nominale e soddisfa i requisiti standard. La capacità di scarica a 20 ℃ è compresa tra il 100% e il 110% della capacità nominale; in condizioni di -20 ℃, la tensione di avvio della scarica è di 3,189V e la tensione di interruzione della scarica è di 2,0V. La capacità di scarica è di 56,1Ah, pari all'80,1% della capacità nominale. La capacità di scarica a -20 ℃ che soddisfa i requisiti standard non è inferiore al 70% della capacità nominale (49,0Ah)

3 Conclusione

In condizioni di bassa temperatura, le prestazioni di scarica delle batterie agli ioni di litio si deteriorano. La tensione di scarica diminuisce e la capacità di scarica diminuisce significativamente. A causa delle caratteristiche a bassa temperatura delle suddette batterie, esse rappresentano un ostacolo significativo alla diffusione e allo sviluppo dei veicoli elettrici nelle aree a bassa temperatura. Pertanto, un miglioramento significativo delle prestazioni a bassa temperatura delle batterie favorisce lo sviluppo dei veicoli elettrici e promuove anche il processo di applicazione delle batterie agli ioni di litio in ambito militare, aerospaziale e in altri settori.