Vpliv vsebnosti VC v elektrolitu na litijev železov fosfat

Vinylene Carbonate (VC) ima odlično prilagodljivost na visoke in nizke temperature. Dodajanje VC elektrolitu lahko pomaga oblikovati stabilnejšo plast SEI na površini anode v litijevih baterijah. Zato ima vsebnost VC pomemben vpliv na zmogljivost litij-železovih fosfatnih (LiFePO₄) baterij. Ta članek posebej proučuje učinek vsebnosti VC na elektrokemično delovanje LiFePO₄ baterij pri nizkih-temperaturnih pogojih. LiFePO₄ baterije se pogosto uporabljajo v novih energetskih vozilih in sistemih za shranjevanje energije zaradi svoje visoke varnosti, dolge življenjske dobe, okolju prijaznosti in relativno nizkih stroškov. Vendar se soočajo s težavami, kot sta upad zmogljivosti praznjenja in zmanjšano zadrževanje energije pri nizkih temperaturah (zlasti pod -20 stopinj), kar omejuje njihovo uporabo v hladnih regijah. Da bi rešili to težavo, se elektrolitu pogosto dodajo funkcionalni dodatki, kot je VC, da izboljšajo-nizkotemperaturno ionsko prevodnost, zadušijo stranske reakcije in stabilizirajo vmesnik elektrod, s čimer izboljšajo delovanje baterije pri nizkih temperaturah.

V tej študiji so bile pripravljene štiri vrste baterijskih elektrolitov LiFePO₄ z različnimi vsebnostmi VC (3,0 %, 3,2 %, 3,5 %, 3,8 %) in sestavljene v vrečke celic. Za katodo je bil uporabljen LiFePO₄, za anodo pa umetni grafit. Vse baterije so bile pripravljene pod enakimi procesnimi pogoji in so bile podvržene oblikovanju in disperziji kapacitete. Elektrokemični testi so bili opravljeni na vsaki skupini baterij pri -30 stopinjah za sistematično primerjavo ključnih indikatorjev delovanja, kot so zmogljivost praznjenja pri nizkih temperaturah, odpornost na enosmerni tok (DCR), energetska učinkovitost in življenjska doba.

1. Zmogljivost praznjenja-pri nizkih temperaturah

S testiranjem krivulj CV baterije pri nizkih-temperaturnih pogojih in izračunom kapacitete baterije iz integriranega območja krivulj CV.

Ko je vsebnost VC 3,5 %, baterija kaže najvišjo zmogljivost praznjenja pri -30 stopinjah (5,6 Ah), bistveno boljšo od drugih skupin (3,0 %, 3,2 % in 3,8 % ustrezajo 4,6 Ah, 5,0 Ah oziroma 5,0 Ah). Ustrezna količina VC lahko zniža zmrzišče elektrolita, poveča mobilnost ionov in zavre kristalizacijo topila, s čimer izboljša nizkotemperaturno praznjenje.

2. Enosmerni tokovni upor (DCR)

Preskusi DCR baterije kažejo, da je DCR, ko je vsebnost VC 3,5 %, najnižja (0,76 mΩ), kar kaže na manjši medfazni upor in višjo učinkovitost prenosa litij-ionov. Prekomerna vsebnost VC (npr. 3,8 %) povzroči povečanje DCR, kar nakazuje, da lahko preveč VC poveča reakcijsko odpornost na površini.

3. Energijska učinkovitost pri-nizkih temperaturah

Ko je vsebnost VC 3,5 %, ima baterija največjo energijsko učinkovitost pri -30 stopinjah (82,0 %) in presega druge skupine (72,5 %~79,0 %). To se pripisuje VC, ki spodbuja nastanek stabilnega SEI filma, zmanjšuje polarizacijske izgube in povečuje učinkovitost pretvorbe energije.

4. Življenjski cikel

Po 300 ciklih baterija s 3,5-odstotno vsebnostjo VC kaže največjo ohranitev zmogljivosti (97,5 %) in prekaša druge skupine (90,0 %~96,1 %). VC lahko dinamično popravi napake filma SEI med cikliranjem, zavira razgradnjo elektrolita in nastajanje plinov, s čimer podaljša življenjsko dobo baterije pri nizkih temperaturah.

ACEY-BA3040-20oprema za testiranje cikla baterijese uporablja za testiranje življenjske dobe, zanesljivosti, zmogljivosti in drugih parametrov paketa baterij s testom cikličnega polnjenja in praznjenja.

• VC prednostno reducira na površini grafitne anode pred molekulami topila med začetnim postopkom polnjenja in praznjenja, pri čemer tvori gost SEI film, bogat z anorganskimi komponentami, kot je Li₂CO3. Ta film ima razmeroma visok koeficient difuzije litij-ionov.

• Primerna količina VC lahko optimizira solvacijsko strukturo elektrolita, zmanjša viskoznost in izboljša ionsko prevodnost pri nizkih temperaturah.

• Prekomerni VC lahko povzroči predebel SEI film ali povečano impedanco, kar je dejansko škodljivo za izboljšanje delovanja.

Čeprav je članek izvajal poskuse, v katerih so primerjali različne količine VC, in izvajal določene teste, pri čemer je identificiral optimalno vsebnost VC v tem poskusu, ni vključeval kontrolne skupine brez VC. Zato ni mogoče sklepati, da dodajanje VC nujno izboljša delovanje baterije.