Pin lithium ion được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xe điện do có điện áp cao, năng lượng riêng cao và hiệu suất sạc tốt.

1 Thử nghiệm

Lấy pin lithium-ion có dung lượng định mức là 70Ah cho xe điện làm ví dụ, một thử nghiệm dung lượng ở nhiệt độ phòng (20 ℃) ​​và một thử nghiệm dung lượng ở nhiệt độ thấp (-20 ℃) ​​đã được tiến hành để so sánh tác động của nhiệt độ đến dung lượng của pin lithium-ion. Pin lithium-ion có điện áp ngắt sạc là 36V và điện áp ngắt xả là 2,0V. Sau đó, các thử nghiệm dung lượng xả được tiến hành trong môi trường 20 ℃ và -20 ℃, và thử nghiệm kết thúc khi điện áp ngắt xả là 2,0V.

2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt độ thấp

Hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các loại chất điện phân, vật liệu điện cực dương và âm, v.v. Hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion cũng thay đổi tùy thuộc vào loại chất điện phân và vật liệu điện cực dương và âm. Trong điều kiện nhiệt độ thấp, quá trình đông đặc của một số dung môi trong chất điện phân của pin dẫn đến khó khăn trong việc di chuyển ion và giảm độ dẫn điện; Điện trở truyền của các ion lithium trong vật liệu điện cực tăng lên; Sự khuếch tán và truyền điện tích lithium giữa giao diện điện cực và chất điện phân chậm hơn và khả năng thấm ướt của chất điện phân vào bộ tách và sự thâm nhập của các ion lithium vào bộ tách trở nên tệ hơn.

2.1 Ảnh hưởng của chất điện phân

Ảnh hưởng của chất điện phân là một thành phần quan trọng của pin lithium-ion. Sự truyền ion giữa các điện cực dương và âm bên trong pin thường được thực hiện bằng cách sử dụng hỗn hợp các dung môi hữu cơ không chứa nước hòa tan trong muối lithium. Các dung môi hữu cơ như etylen cacbonat (EC), propylen cacbonat (PC), dimethyl cacbonat (DMC), diethyl cacbonat (DEC) và methyl etyl cacbonat (EMC) hiện đang được sử dụng rộng rãi trong chất điện phân pin lithium-ion. Tác động của chất điện phân đến hiệu suất nhiệt độ thấp chủ yếu được phản ánh trong tác động của chúng đến độ dẫn điện và các đặc tính của màng giao diện chất điện phân rắn (SEI).

1) Độ dẫn điện.

Độ dẫn điện là một thông số quan trọng để đo hiệu suất của chất điện phân, và độ dẫn điện cao hơn là điều kiện cần thiết để đạt được hiệu suất nhiệt độ thấp tốt của pin lithium-ion. Theo quan điểm của dung môi hữu cơ, các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ dẫn điện là hằng số điện môi và độ nhớt của dung môi. Hằng số điện môi của dung môi càng lớn thì lực tĩnh điện giữa các ion lithium và anion càng yếu và muối lithium càng dễ phân hủy và tăng số lượng ion tự do.

Độ nhớt của dung môi chủ yếu ảnh hưởng đến tính di động của các ion tự do. Độ nhớt càng cao, tính di động càng nhỏ và độ dẫn điện càng thấp. Ngược lại, điều ngược lại mới đúng. Khi nhiệt độ giảm, hằng số điện môi của dung môi sẽ làm giảm lực tương tác giữa các ion lithium và anion, và độ khó phân hủy muối lithium sẽ tăng lên. Khi nhiệt độ giảm, độ nhớt của chất điện phân tăng lên và tốc độ di chuyển của các ion giảm. Những điều này sẽ làm giảm độ dẫn điện của pin và ảnh hưởng đến dung lượng của pin điện lithium-ion.

2) SÁU màng.

Thành phần của chất điện phân không chỉ quyết định độ dẫn ion của chất điện phân mà còn ảnh hưởng đến quá trình hình thành màng SEI (pha chất điện phân rắn). Hiệu suất của màng SEI có tác động đáng kể đến dung lượng không thể đảo ngược, hiệu suất nhiệt độ thấp, hiệu suất chu kỳ và hiệu suất an toàn của pin. Một màng SEI tuyệt vời phải có khả năng không hòa tan trong dung môi hữu cơ cho phép các ion lithium tự do nhúng hoặc tách khỏi điện cực, trong khi các phân tử dung môi không thể xâm nhập, do đó ngăn các phân tử dung môi làm hỏng điện cực và cải thiện tuổi thọ chu kỳ của nó.

Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng điện trở màng SEI lớn hơn nhiều so với điện trở chất điện phân và khi nhiệt độ giảm, điện trở màng SEI tăng lên, tương ứng với sự suy giảm nhanh chóng của hiệu suất pin. Có thể thêm một lượng phụ gia tạo màng thích hợp vào chất điện phân của pin lithium-ion để giảm điện trở màng SEI, cải thiện hiệu suất của màng SEI và do đó cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin.

2.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt của vật liệu điện cực

Trong điều kiện nhiệt độ thấp, điện áp xả của pin giảm cho thấy sự gia tăng độ phân cực của các lớp bên trong và bên ngoài của các hạt điện cực dương và âm, tức là sự gia tăng trở kháng truyền của các hạt rắn điện cực dương và âm của ion lithium, dẫn đến điện áp kết thúc xả đạt sớm trong quá trình xả và làm giảm dung lượng xả tương ứng.

Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng trong điều kiện nhiệt độ thấp, điện cực than chì được sạc đầy có thể giải phóng tương đối dễ dàng các ion lithium nhúng dưới -20 ℃. Tuy nhiên, ở cùng nhiệt độ, việc nhúng các ion lithium vào điện cực than chì đã xả hoàn toàn gặp phải những trở ngại nghiêm trọng. Bằng cách giảm kích thước hạt của vật liệu điện cực, hiệu suất nhiệt độ thấp của pin sẽ được cải thiện đáng kể.

2.3 Tối ưu hóa và cải tiến vật liệu điện phân và điện cực

Chúng tôi đã tiến hành phân tích và nghiên cứu chuyên sâu về công thức và quy trình của chất điện phân và vật liệu điện cực cho các sản phẩm không đủ tiêu chuẩn công suất nhiệt độ thấp 70Ah nêu trên. Chất điện phân sản phẩm được điều chỉnh từ dung môi điện phân ba thành phần gồm EC, DMC và DEC thành dung môi điện phân bốn thành phần gồm EC, PC, DMC và DEC.

Các loại muối lithium và phụ gia vẫn giữ nguyên, nhưng tỷ lệ đã được điều chỉnh để cải thiện quy trình sản xuất vật liệu điện cực. Chất điện phân đã trải qua hàng chục lần điều chỉnh tỷ lệ và thử nghiệm để làm cho các hạt vật liệu điện cực nhỏ hơn.

Pin cải tiến có điện áp khởi động xả là 3.293V và điện áp ngắt xả là 2.0V ở 20℃. Dung lượng xả 74.6Ah là 106.6% dung lượng định mức, đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn. Dung lượng xả ở 20℃ nằm trong khoảng từ 100% đến 110% dung lượng định mức; Trong điều kiện -20℃, điện áp khởi động xả là 3.189V và điện áp ngắt xả là 2.0V. Dung lượng xả là 56.1Ah, bằng 80.1% dung lượng định mức. Dung lượng xả ở -20℃ đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn không nhỏ hơn 70% dung lượng định mức (49.0Ah)

3 Kết luận

Trong điều kiện nhiệt độ thấp , hiệu suất xả của pin lithium-ion giảm. Điện áp xả giảm và dung lượng xả giảm đáng kể. Do đặc tính nhiệt độ thấp của các loại pin nói trên, chúng gây ra trở ngại đáng kể cho việc phổ biến và phát triển xe điện ở các khu vực có nhiệt độ thấp. Do đó, việc cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt độ thấp của pin có lợi cho sự phát triển của xe điện và cũng thúc đẩy quá trình ứng dụng pin lithium-ion trong quân sự, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác.