리?? 철화수 화성 배터리의 저온 성능을 어떻게 향상시킬 수 있습니까?

다른 카토드 재료와 비교하면, LiFePO4 전극 물질은 더 높은 이론적 특수 용량, 안정적인 작동 전압, 안정적인 구조, 좋은 사이클 가능성,원자재의 저렴한 비용과 환경 친화적따라서 이 물질은 이상적인 양전자 물질이며 전력 배터리의 주요 양전자 재료 중 하나로 선택됩니다.

많은 연구자들은 낮은 온도에서 LIB의 성능 저하의 가속화 메커니즘을 연구했습니다. and it is believed that the deposition of active lithium and its catalytically grown solid-state electrolyte interface (SEI) lead to the decrease of ionic conductivity and the decrease of electron mobility in the electrolyteLIB의 용량과 전력 감소로 이어지고 때로는 배터리 성능 장애까지 초래합니다.LIB의 낮은 온도 작업 환경은 주로 겨울과 높은 위도 및 높은 고도의 지역에서 발생합니다.낮은 온도 환경이 LIB의 성능과 수명을 영향을 미치고 심지어 매우 심각한 안전 문제를 일으킬 것입니다.

낮은 온도에 의해 영향을 받으면 그래피트 내 리?? 융합 속도가 감소하고, 금속 리?? 은 부정 전극 표면에 쉽게 침착되어 리?? 덩어리를 형성합니다.디아프라그마를 뚫고 배터리에 내부 단전회로를 일으키는따라서 LIB의 저온 성능을 향상시키는 방법은 알프스 지역에서 전기 차량의 사용을 촉진하는 데 매우 중요합니다.이 논문 은 다음 네 가지 측면 에서 LiFePO4 배터리 의 낮은 온도 성능 을 향상 시키는 방법 을 요약 합니다.:

1) 펄스 전류는 열을 생성합니다.

2) 고품질의 SEI 필름을 준비하기 위해 전해질 첨가물을 사용하십시오.

3) 표면 코팅 변형된 LiFePO4 물질의 인터페이스 전도성

4) 이온 도핑 변형 LiFePO4 물질의 대량 전도성

1낮은 온도 배터리의 급속한 난방

LIB의 충전 과정에서, 전해질 내의 이온의 움직임과 양극화는 LIB 내부의 열 발생을 촉진합니다.이 열 발생 메커니즘은 낮은 온도에서 LIB의 성능을 향상시키기 위해 효과적으로 사용될 수 있습니다.펄스 전류는 방향이 변하지 않고 전류 강도 또는 전압이 시간에 따라 주기적으로 변하는 전류를 의미합니다.낮은 온도에서 신속하고 안전하게 배터리 온도를 높이기 위해, De Jongh et al.는 회로 모델을 사용하여 펄스 전류가 LIB를 어떻게 가열하는지 이론적으로 시뮬레이션했으며 상업 LIB의 실험 테스트를 통해 시뮬레이션 결과를 확인했습니다.연속 충전과 펄스 충전 사이의 열 생산의 차이는 그림 1에서 나타납니다.그림 1에서 볼 수 있듯이, 마이크로초 펄스 시간은 리?? 배터리에서 더 많은 열 생산을 촉진 할 수 있습니다.

그림 1 펄스 및 연속 충전 방식으로 생성 된 열

Zhao et al.는 LiFePO4/MCNB 배터리에 대한 펄스 전류의 흥분 효과를 연구했습니다. 연구 결과에 따르면 펄스 전류 흥분 후,배터리 표면 온도가 -10 °C에서 3 °C로 증가했습니다., 그리고 전통적인 충전 모드와 비교하면 전체 충전 시간은 36min (23.4%) 감소, 용량이 같은 배열 속도에서 7.1% 증가, 따라서,이 충전 모드는 낮은 온도 LiFePO4 배터리의 빠른 충전을 위해 유리한.

Zhu et al.는 LIFEPO4 전력 리?? 이온 배터리의 저온 배터리 수명 (건강 상태) 에 대한 펄스 전류 가열의 영향을 연구했습니다. 그들은 펄스 전류 주파수의 영향을 연구했습니다.배터리 온도에서 전류 강도 및 전압 범위, 그림 2에서 나타난 바와 같이 결과 높은 전류 강도, 낮은 주파수 및 더 넓은 전압 범위가 LIB의 열 축적 및 온도 상승을 향상 시켰습니다.240개의 난방주기를 마친 후 (각 주기는 -20°C에서 1800s의 펄스 난방에 해당한다), 그들은 배터리 용량 유지 및 전기 화학적 임피던스를 연구함으로써 펄스 전류 가열 후 LIB의 건강 상태 (SOH) 를 평가했습니다.그리고 SEM와 EDS에 의해 배터리의 음 전극의 표면 형태의 변화를 연구결과는 펄스 전류 가열이 부정 전극 표면에 리?? 이온의 퇴적을 증가시키지 않는다는 것을 보여주었습니다.그래서 펄스 난방 리?? 퇴적에 의해 발생 용량 붕괴와 리?? 덩어리 성장의 위험을 악화하지 않습니다.

그림 2 리?? 배터리가 30Hz (a) 와 1Hz (b) 의 주파수와 다른 전류 강도와 전압 범위로 펄스 전류로 충전되는 시간에 대한 배터리 온도 변화

2. 전해질-전극 인터페이스에서 전하 전송 저항을 줄이기 위해 SEI 막의 전해질 수정

리?? 이온 배터리의 낮은 온도 성능은 배터리의 이온 이동성과 밀접한 관련이 있습니다.그리고 전극 물질의 표면에 있는 SEI 필름은 리?? 이온 이동성에 영향을 미치는 핵심 링크입니다.리아오 등은 탄산 기반 전해질 (1mol/L LiPF6/EC+DMC+DEC+EMC) 의 부피 비율이 1인1:1-20 °C 이하의 작동 온도에서배터리의 전기 화학 성능이 크게 감소합니다.. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) tests show that the increase in charge transfer resistance and the decrease in lithium ion diffusion capacity are the main factors for the degradation of battery performance따라서, 전해질-전극 인터페이스의 반응성을 향상시키기 위해 전해질을 변경함으로써 낮은 온도에서의 LiFePO4 배터리 성능을 향상시킬 것으로 예상됩니다.

그림 3 (a) 다른 온도에서 LiFePO4 전극의 EIS

b) LiFePO4 EIS를 장착한 동등 회로 모델

낮은 온도 전기 화학 성능을 효과적으로 향상시킬 수있는 전해질 시스템을 찾기 위해 LiFePO4 배터리의 Zhang et al.전기제에 LiBF4-LiBOB 혼합 소금을 첨가하여 LiFePO4 배터리의 저온 사이클 성능을 향상시키려고 시도했습니다.특히, 최적화된 성능은 혼합 소금의 LiBOB의 분자 비율이 10% 미만일 때만 달성되었습니다.LiFePO4/C 배터리의 전해질로 프로필렌 탄산 (PC) 에 LiPF4 ((C2O4) ((LiFOP) 를 녹여서 일반적으로 사용되는 LiPF6-EC 전해질 시스템과 비교했습니다.LIB의 첫 번째 사이클 배열 용량이 낮은 온도에서 배터리를 사이클 할 때 현저하게 감소한다는 것이 밝혀졌습니다.EIS 데이터는 LiFOP/PC 전해질이 LIB의 내부 임피던스를 감소시킴으로써 LIB의 저온 사이클 성능을 향상시켰다는 것을 나타냈습니다..

리트 et al.는 두 개의 리?? 디플루로 (oxalate) 보라트 (LiODFB) 전해질 시스템의 전기 화학 성능을 연구했습니다: LiODFB-DMS 및 LiODFB-SL/DMS,그리고 전기 화학 성능을 일반적으로 사용되는 LiPF6-EC/DMC 전해질과 비교했습니다., 그리고 LiODFB-SL/DMS 및 LiODFB-SL/DES 전해질이 낮은 온도에서 LiFePO4 배터리의 사이클 안정성과 속도 능력을 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.EIS 연구 결과 LiODFB 전해질은 낮은 인터페이스 임피던스와 SEI 필름의 형성에 유리한 것으로 나타났습니다., 이온의 확산과 전하의 움직임을 촉진하고, 이로 인해 LiFePO4 배터리의 저온 사이클 성능을 향상시킵니다. 따라서,적절한 전해질 구성이 전하 전송 저항을 줄이고 전극 물질 인터페이스에서 리?? 이온의 확산 속도를 높이는 데 도움이됩니다., 따라서 LIB의 낮은 온도 성능을 효과적으로 향상시킵니다.

전해질 첨가물은 또한 SEI 필름의 구성과 구조를 제어하는 효과적인 방법 중 하나이며, 이로 인해 LIB의 성능을 향상시킵니다.낮은 온도에서 LiFePO4 배터리의 방출 용량 및 속도 성능에 대한 FEC의 영향을 연구했습니다.연구 결과, 전해질에 2% FEC를 첨가 한 후, LiFePO4 배터리는 낮은 온도에서 더 높은 방출 용량과 속도 성능을 보여주었습니다. SEM 및 XPS는 SEI의 형성을 보여주었습니다.그리고 EIS 결과는 전해질에 FEC를 추가하면 낮은 온도에서 LiFePO4 배터리의 저항을 효과적으로 줄일 수 있음을 보여주었습니다., 그래서 배터리 성능의 개선은 SEI 필름의 이온 전도성 증가와 LiFePO4 전극의 양극화로 인한 것입니다.XPS를 사용하여 SEI 필름을 분석하고 관련 메커니즘을 더 자세히 연구했습니다.그들은 FEC가 인터페이스 필름 형성에 참여했을 때 LiPF6과 탄산 용매의 분해가 약화되었다는 것을 발견했습니다.그리고 LixPOyFz 및 용매 분해로 생성 된 탄산 물질의 함량은 감소했습니다.따라서 낮은 저항과 밀도가 높은 구조를 가진 SEI 필름이 LiFePO4의 표면에 형성됩니다. 그림 4에서 나타낸 바와 같이, FEC를 추가 한 후,LiFePO4의 CV 곡선에서 산화/감축 피크가 서로 가깝다는 것을 보여줍니다., FEC의 추가가 LiFePO4 전극의 양극화를 줄일 수 있음을 나타냅니다. 따라서 수정 된 SEI는 전극 / 전해질 인터페이스에서 리?? 이온의 마이그레이션을 촉진합니다.따라서 LiFePO4 전극의 전기 화학 성능을 향상시킵니다..

그림 4 -20°C에서 0% 및 10% FEC를 포함하는 전해질에서 LiFePO4 전지의 순환 볼트암그램

또한, Liao et al.는 또한 butyl sultone (BS) 를 전해질에 첨가하는 것이 비슷한 효과를 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 즉, 더 얇은 구조와 낮은 임피던스를 가진 SEI 필름을 형성합니다.그리고 SEI 필름을 통과할 때 리?? 이온의 이동 속도를 향상시킵니다.따라서, , BS의 추가는 낮은 온도에서 LiFePO4 배터리의 용량과 속도 성능을 크게 향상시킵니다.

3표면 코팅 전도성 층은 LiFePO4 물질의 표면 저항을 줄이기 위해

One of the important reasons for the degradation of lithium battery performance in low temperature environment is the increase of impedance at the electrode interface and the decrease of ion diffusion rate. LiFePO4 표면 코팅 전도성 층은 효과적으로 전극 물질 사이의 접촉 저항을 줄일 수 있습니다.따라서 낮은 온도에서 LiFePO4로 들어와 나오는 이온의 확산 속도를 향상시킵니다.그림 5에서 보이는 것처럼 Wu et al.는 두 가지 탄소 물질 (무형 탄소와 탄소 나노 튜브) 을 사용하여 LiFePO4 (LFP@C/CNT) 를 코팅했습니다.그리고 수정된 LFP@C/CNT는 낮은 온도에서 뛰어난 성능을 보였습니다.용량 유지 비율은 -25 ° C에서 방출되면 약 71.4%입니다. EIS 분석은 성능의이 개선이 주로 LiFePO4 전극 물질의 감소 된 임피던스에 기인한다는 것을 발견했습니다..

그림 5 HRTEM 이미지 (a), 구조 다이어그램 (b) 및 LFP@C/CNT 나노 복합체의 SEM 이미지

많은 코팅 재료 중 금속 또는 금속 산화 나노 입자는 뛰어난 전기 전도성 및 간단한 준비 방법으로 인해 많은 연구자들의 관심을 끌었습니다.야오 등이 실험에서는 CeO2 입자들이 LiFePO4의 표면에 균일하게 분포되었다.운동력이 상당히 좋아졌어, 이는 전극 물질과 전류 수집기와 입자 사이의 향상된 접촉으로 인해 발생합니다.또한 LiFePO4 전해질 인터페이스에서 전하 전송 증가전극 양극화를 감소시킵니다.

마찬가지로 Jin et al.는 LiFePO4의 표면을 코팅하기 위해 V2O3의 좋은 전기 전도성을 활용하고 코팅 된 샘플의 전기 화학 특성을 테스트했습니다.리?? 이온의 연구는 좋은 전도성을 가진 V2O3층이 LiFePO4 전극에서 리?? 이온 운송을 크게 촉진 할 수 있음을 보여줍니다., 따라서 V2O3 변형 된 LiFePO4/C 배터리는 그림 6에서 보이는 바와 같이 낮은 온도 환경에서 우수한 전기 화학 성능을 나타냅니다.

그림 6 낮은 온도에서 다른 V2O3 함량으로 코팅된 LiFePO4의 사이클 성능

린 et al.는 간단한 전자기착장 (ED) 과정을 통해 LiFePO4 물질의 표면에 Sn 나노 입자를 코팅합니다.그리고 체계적으로 LiFePO4/C 셀의 전기 화학 성능에 Sn 코팅의 영향을 연구했습니다.SEM 및 EIS 분석은 Sn 코팅이 LiFePO4 입자 간의 접촉을 향상시키고 소온에서 전하 전송 저항이 낮고 리?? 확산 속도가 높다는 것을 보여줍니다.따라서, Sn 코팅은 낮은 온도에서 LiFePO4/C 배터리의 특이 용량, 사이클 성능 및 속도 성능을 향상시킵니다.

또한 Tang et al.는 LiFePO4 전극 물질의 표면을 코팅하기 위해 알루미늄 도핑 된 아연 산화물 (AZO) 를 전도성 물질로 사용했습니다.전기 화학 시험 결과는 AZO 코팅 또한 크게 속도 능력과 낮은 온도 성능을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다 LiFePO4, 이것은 전도성 AZO 코팅으로 인해 LiFePO4 물질의 전기 전도성을 증가시킵니다.

넷째, 대량 도핑은 LiFePO4 전극 재료의 대량 저항을 감소시킵니다.

이온 도핑은 LiFePO4 올리빈 격자 구조에 빈 공간을 형성 할 수 있으며 이는 재료 내 리?? 이온의 확산 속도를 촉진합니다.따라서 LiFePO4 배터리의 전기 화학 활동을 향상시킵니다.장 등은 용액 침착 공정을 통해 Li0.99La0.01Fe0.9Mg0.1PO4/그래피트 에어로겔 복합 전극 물질을 합성한 란타늄과 마그네슘을낮은 온도에서 우수한 전기 화학 성능을 보여주었습니다., and the results of electrochemical impedance experiments It is shown that this superiority is mainly attributed to the enhanced electronic conductivity of the material by ion doping and graphite aerogel coating.

허앙 등은 Mg와 F가 결합된 LiFe0.92Mg0.08 ((PO4) 0.99F0.03 전극 물질을 간단한 고체 반응으로 제조했다.구조 및 형태 특성화 결과는 Mg와 F가 LiFePO4 결정으로 균일하게 도핑 될 수 있음을 보여주었습니다.전극 물질의 구조와 입자 크기를 변경하지 않고 격자에서, 비이온 도핑 LiFePO4 물질과 Mg 또는 F 단일 도핑 LiFePO4 물질에 비해,낮은 온도에서 코도핑된 LiFePO4는 최고의 전기 화학 성능을 가지고 있습니다.EIS 결과는 Mg와 F의 코-도핑이 전자 전송 속도와 이온 전도율을 증가시킨다는 것을 보여줍니다.그 이유 중 하나는 Mg-O 결합의 길이가 Fe-O 결합보다 짧다는 것입니다., 이는 리?? 이온 확산 채널의 확장으로 이어지고 LiFePO4 이온 전도도를 향상시킵니다.

Wang et al.는 액체상 침착을 통해 사마리움 도핑된 LiFe1-xSmxPO4/C 복합체를 합성했다.결과는 Sm3 + 이온 도핑의 작은 양이 양극화 과잉 전력 및 전하 전송 저항을 줄일 수 있음을 보여줍니다., 이로써 낮은 온도 전기 화학 성능을 향상 LiFePO4. Cai et al.는 Ti3SiC2-doped LiFePO4 전극 물질을 수 suspension 혼합 방법으로 준비.연구 결과 Ti3SiC2 도핑은 낮은 온도에서 LiFePO4 전극 물질의 인터페이스에서 리?? 이온의 전송 속도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.따라서 Ti3SiC2-doped LiFePO4는 낮은 온도에서 우수한 성능을 보여줍니다.Li3V2 ((PO4) 3 도핑 LiFePO4 전극 물질 (LFP-LVP) 은 Maet al에 의해 준비되었습니다.EIS 결과는 LFP-LVP 전극 물질이 낮은 전하 전송 저항을 가지고 있음을 보여주었습니다.그리고 충전 전송의 가속화는 LiFePO4/C 배터리의 저온 전기 성능을 향상 시켰습니다.. 화학적 특성.