Năng lượng và môi trường là hai vấn đề cơ bản đối mặt với sự phát triển bền vững trên thế giới ngày nay. Xe điện hybrid, với tư cách là phương tiện giao thông xanh và hiệu quả, đã ngày càng được thúc đẩy trên toàn thế giới. Với công nghệ chế tạo pin ngày càng hoàn thiện, pin điện Lithium sắt phosphate, với tư cách là một bộ phận quan trọng của hệ thống truyền động xe điện hybrid, có tác động đáng kể đến công suất, tính kinh tế và sự an toàn của xe. Do mật độ năng lượng cao, tuổi thọ cao, hiệu suất sạc và xả cao, phạm vi nhiệt độ áp dụng rộng, tự xả thấp, điện trở bên trong thấp, không có hiệu ứng nhớ, sạc nhanh, độ an toàn cao, độ tin cậy cao, chi phí thấp và khả năng tái sử dụng, nó được công nhận là pin điện cho xe có triển vọng nhất.

Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng thực tế của pin điện, vật liệu Lithium sắt phosphate có trở kháng cao, ảnh hưởng trực tiếp đến việc thúc đẩy và ứng dụng pin điện Lithium sắt phosphate. Để giải quyết vấn đề trở kháng pin cao và cải thiện hơn nữa hiệu suất của pin Lithium sắt phosphate, pin điện Lithium sắt phosphate đã được chế tạo bằng cách thay thế một phần carbon dẫn điện bằng ống nano carbon có độ dẫn điện tuyệt vời. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nano Pin điện Lithium sắt phosphate đã được phân tích và nghiên cứu từ dung lượng pin, nền tảng điện áp và đường cong xả ở các nhiệt độ môi trường khác nhau.

1 Thử nghiệm

1.1 Thiết bị và đối tượng thử nghiệm

Buồng thử nghiệm nhiệt độ cao và thấp DGBELL , Pin điện lithium sắt phosphate (cell đơn 3,2V, 10Ah)

1.2 Các bước thử nghiệm

(1) Đặt nhiệt độ môi trường bên trong buồng nhiệt độ cao và thấp ở mức -40, -20, -100, 25, 40, 55 và 60 ℃, với độ ẩm tương đối là 40%.

(2) Phát triển phương pháp sạc và xả: Phương pháp sạc là sạc pin ở dòng điện không đổi 0,2C (2A) đến 3,65V ở (20 ± 5) ℃, chuyển sang sạc điện áp không đổi cho đến khi dòng điện giảm xuống còn 200mA và dừng sạc. Phương pháp xả là để yên trong IH ở các nhiệt độ môi trường khác nhau, sau đó xả ở dòng điện không đổi 1C cho đến khi điện áp giảm xuống điện áp cắt là 2V và tính dung lượng xả.

(3) Lập sơ đồ thực nghiệm: thí nghiệm này lấy 25℃ làm điểm tham chiếu để kiểm tra nhiệt độ. Đầu tiên, tiến hành kiểm tra hiệu suất ở nhiệt độ thấp. Từ 25℃ đến -40℃, lần lượt lấy 0, -10, 20 và -40℃ làm điểm quan sát. Tốc độ thay đổi nhiệt độ là 1℃/phút. Tại mỗi điểm kiểm tra nhiệt độ, đặt pin để kiểm tra trong 24 giờ, sau đó tiến hành kiểm tra hiệu suất nhiệt độ tại điểm nhiệt độ này; Sau đó, tiến hành kiểm tra hiệu suất ở nhiệt độ cao của pin. Để loại bỏ tác động của thử nghiệm ở nhiệt độ thấp, trước tiên khôi phục nhiệt độ của buồng thử nghiệm nhiệt độ cao và thấp về 25℃ và sử dụng dữ liệu đo được ở nhiệt độ này làm điểm tham chiếu để kiểm tra nhiệt độ cao. Sau đó, tiến hành kiểm tra hiệu suất ở nhiệt độ cao của pin, bắt đầu từ 25℃ đến 60℃ và nghiên cứu khả năng xả 1C của các loại pin lithium-ion khác nhau.

(4) Khi buồng nhiệt độ cao và thấp ổn định ở điều kiện nhiệt độ cài đặt, đặt pin lithium ion đơn có điện áp tiêu chuẩn 3,2V sau khi để yên trong 1 ngày vào buồng thử nghiệm trong 1 giờ để pin đạt được trạng thái cân bằng nhiệt.

(5) Khi pin xả đến điện áp ngắt 2,0V, hãy dừng xả, phân tích và xử lý dữ liệu có liên quan.

2 Kết quả và thảo luận

Có thể thấy từ dữ liệu rằng dung lượng xả của pin nano Lithium sắt phosphate ở giai đoạn nhiệt độ thấp giảm dần khi nhiệt độ môi trường giảm, vì trong điều kiện nhiệt độ thấp, nồng độ chất điện phân của pin trở nên lớn hơn và tốc độ ion lithium tách khỏi vật liệu điện cực âm trở nên chậm hơn.

Ngoài ra, do điện trở trong của pin lớn hơn, đường cong dung lượng xả giảm và điện áp ngắt xả của pin năng lượng lithium ion đạt được trước, dung lượng xả giảm, hiệu suất xả giảm. Ở nhiệt độ trên 0 ℃, dung lượng xả về cơ bản có thể duy trì trên 93% dung lượng bình thường, trong khi ở nhiệt độ dưới 0 ℃, tốc độ giảm dung lượng xả của pin năng lượng lithium-ion tăng theo nhiệt độ giảm.

Đối với pin nano Lithium sắt phosphate, dung lượng là 88% ở -10 ℃, 75,3% ở 20 ℃ và chỉ 47,1% ở -40 ℃; Ở 25-10 ℃, tỷ lệ suy giảm dung lượng là khoảng 9,5%; Ở -10 ~ -20 ℃, tỷ lệ suy giảm dung lượng là khoảng -12,8%, nhưng tỷ lệ suy giảm dung lượng tăng mạnh từ -20 ℃ đến -40 ℃, đạt khoảng 28,2%. Do đó, -20 ℃ có thể được coi là một nút nhiệt độ thấp của pin Lithium sắt phosphate.

Khi nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ phòng (25 ℃), do hoạt động vật liệu được tăng cường bên trong pin lithium-ion, tốc độ khuếch tán của các ion lithium tăng lên và khả năng xả của nó tăng lên. Ở giai đoạn nhiệt độ cao, sự thay đổi dung lượng của pin không đáng kể và sự thay đổi dung lượng tối đa chỉ tăng khoảng 3% so với chuẩn.

Sau 55℃, đường cong dung lượng về cơ bản không thay đổi, và ở 60℃, dung lượng ở cùng mức với điểm tham chiếu. Tuy nhiên, trong điều kiện nhiệt độ cao, các đặc tính vật lý của vật liệu điện cực của pin lithium sẽ bị suy giảm không thể đảo ngược và cường độ phản ứng của vật liệu điện cực sẽ yếu đi, do đó khả năng xả và hiệu suất xả của nó sẽ giảm. Từ điểm này, có thể thấy rằng việc sử dụng pin trong môi trường trên 50℃ trong thời gian dài nên tránh càng nhiều càng tốt.

Nhiệt độ hoạt động lý tưởng của pin lithium-ion nên nằm trong khoảng 18~50℃ để đảm bảo hiệu suất xả trên 80% và đáp ứng yêu cầu công suất của toàn bộ xe. Từ một số tài liệu tham khảo và hướng dẫn kỹ thuật, có thể thấy rằng để đảm bảo tuổi thọ của chính pin, nhiệt độ hoạt động nên được kiểm soát trong khoảng từ 20 đến 50℃.

Ở -20℃, khả năng xả của hai loại pin lithium khác nhau là 75,01% khả năng của Nameplate, và hiệu suất của pin nano Lithium sắt phosphate tốt hơn pin Lithium sắt phosphate; Ở -40℃, hiệu suất xả của pin nano Lithium sắt phosphate tuyệt vời hơn, và khả năng xả là 47,1% khả năng của Nameplate, trong khi pin Lithium sắt phosphate chỉ là 37,5%. Do đó, việc sử dụng ống nano carbon có độ dẫn điện tuyệt vời để thay thế một phần carbon dẫn điện để làm tấm cực dương Lithium sắt phosphate đã cải thiện đáng kể hiệu suất sạc và xả của pin Lithium sắt phosphate.

3 Kết luận

Đã nghiên cứu hiệu suất nhiệt độ của pin lithium sắt phosphate nano và pin lithium sắt phosphate carbon dẫn điện thông thường. Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ môi trường có tác động lớn đến dung lượng của pin lithium sắt phosphate.

Dung lượng giảm nhanh ở nhiệt độ thấp, dung lượng xanh tăng nhanh ở nhiệt độ cao, nhưng tốc độ thay đổi thấp hơn ở nhiệt độ thấp. Ngoài ra, ống nano cacbon có độ dẫn điện tuyệt vời được sử dụng để thay thế một số cacbon dẫn điện để tạo thành các tấm cực dương Lithium sắt phosphate. Hiệu suất sạc và xả của pin Lithium sắt phosphate được cải thiện đáng kể.

Dung lượng xả của pin nano Lithium sắt phosphate ở -40 ℃ là 47,1% dung lượng ở 25 ℃, dung lượng xả của pin Lithium sắt phosphate thông thường chỉ bằng 37,5% dung lượng ở 25 ℃. Hiệu suất điện hóa tuyệt vời của pin chủ yếu là do cải thiện độ dẫn điện của toàn bộ pin.

Để đảm bảo tuổi thọ của pin, nhiệt độ hoạt động phải được kiểm soát trong khoảng 20~50℃. Đặc điểm nhiệt độ của pin Lithium sắt phosphate được làm rõ, có ý nghĩa to lớn đối với việc thiết kế hệ thống quản lý nhiệt pin.