Với sự phát triển nhanh chóng của xe điện trên toàn thế giới, quy mô thị trường xe điện đã đạt 1 nghìn tỷ USD vào năm 2020 và sẽ tiếp tục tăng trưởng với tốc độ hơn 20% mỗi năm trong tương lai. Do đó, xe điện với tư cách là phương thức vận chuyển chính, yêu cầu về hiệu suất đối với pin điện sẽ ngày càng cao và không nên bỏ qua tác động của việc suy giảm pin đối với hiệu suất của pin điện trong môi trường nhiệt độ thấp. Những lý do chính khiến pin bị hỏng trong môi trường nhiệt độ thấp là: Thứ nhất, nhiệt độ thấp ảnh hưởng đến điện trở trong nhỏ của pin, diện tích khuếch tán nhiệt lớn và điện trở trong của pin tăng lên. Thứ hai, khả năng truyền điện tích bên trong và bên ngoài của pin kém, pin sẽ bị biến dạng khi phân cực cục bộ không thể đảo ngược. Thứ ba, nhiệt độ thấp của chuyển động phân tử chất điện phân chậm và khó khuếch tán kịp thời khi nhiệt độ tăng lên. Do đó, tình trạng hư hỏng pin ở nhiệt độ thấp là nghiêm trọng, dẫn đến suy giảm hiệu suất pin nghiêm trọng.
1, Tình trạng công nghệ pin nhiệt độ thấp
Yêu cầu về hiệu suất vật liệu và kỹ thuật của pin năng lượng lithium-ion được điều chế ở nhiệt độ thấp là cao. Sự suy giảm hiệu suất nghiêm trọng của pin năng lượng lithium-ion trong môi trường nhiệt độ thấp là do điện trở trong tăng, dẫn đến khó khuếch tán chất điện phân và tuổi thọ của chu kỳ tế bào bị rút ngắn. Vì vậy, nghiên cứu về công nghệ pin năng lượng nhiệt độ thấp đã đạt được một số tiến bộ trong những năm gần đây. Pin lithium-ion nhiệt độ cao truyền thống có hiệu suất kém ở nhiệt độ cao và hiệu suất của chúng vẫn không ổn định trong điều kiện nhiệt độ thấp; khối lượng lớn tế bào nhiệt độ thấp, công suất thấp và hiệu suất chu kỳ nhiệt độ thấp kém; sự phân cực ở nhiệt độ thấp mạnh hơn đáng kể so với ở nhiệt độ cao; độ nhớt của chất điện phân tăng ở nhiệt độ thấp dẫn đến giảm số chu kỳ sạc/xả; giảm độ an toàn của tế bào và giảm tuổi thọ pin ở nhiệt độ thấp; và giảm hiệu suất khi sử dụng ở nhiệt độ thấp. Ngoài ra, tuổi thọ ngắn của pin ở nhiệt độ thấp và rủi ro an toàn của pin nhiệt độ thấp đã đặt ra các yêu cầu mới về an toàn của pin điện. Do đó, việc phát triển vật liệu pin ổn định, an toàn, đáng tin cậy và có tuổi thọ cao cho môi trường nhiệt độ thấp là trọng tâm nghiên cứu về pin lithium-ion nhiệt độ thấp. Hiện nay, có một số vật liệu pin lithium-ion nhiệt độ thấp: (1) vật liệu cực dương kim loại lithium: kim loại lithium được sử dụng rộng rãi trong xe điện vì tính ổn định hóa học cao, độ dẫn điện cao và hiệu suất sạc và xả ở nhiệt độ thấp; (2) vật liệu cực dương carbon được sử dụng rộng rãi trong xe điện vì khả năng chịu nhiệt tốt, hiệu suất chu trình ở nhiệt độ thấp, độ dẫn điện thấp và vòng đời ở nhiệt độ thấp; (3) vật liệu cực dương carbon được sử dụng rộng rãi trong xe điện vì khả năng chịu nhiệt tốt, hiệu suất chu kỳ nhiệt độ thấp, độ dẫn điện thấp và tuổi thọ chu kỳ nhiệt độ thấp. TRONG; (3) chất điện phân hữu cơ có hiệu suất tốt ở nhiệt độ thấp; (4) chất điện phân polyme: chuỗi phân tử polymer tương đối ngắn và có ái lực cao; (5) vật liệu vô cơ: polyme vô cơ có các thông số hiệu suất (độ dẫn) tốt và khả năng tương thích tốt giữa hoạt động điện phân; (6) oxit kim loại ít hơn; (7) vật liệu vô cơ: polyme vô cơ, v.v.
2, Ảnh hưởng của môi trường nhiệt độ thấp đến pin lithium
Tuổi thọ của pin lithium chủ yếu phụ thuộc vào quá trình phóng điện, trong khi nhiệt độ thấp là yếu tố ảnh hưởng lớn hơn đến tuổi thọ của sản phẩm lithium. Thông thường, trong môi trường nhiệt độ thấp, bề mặt của pin sẽ trải qua quá trình chuyển pha gây hư hỏng cấu trúc bề mặt, kèm theo đó là dung lượng và dung lượng cell bị giảm. Trong điều kiện nhiệt độ cao, khí được tạo ra trong tế bào sẽ làm tăng tốc độ khuếch tán nhiệt; ở nhiệt độ thấp, khí không thể được thải ra kịp thời, làm tăng tốc độ thay đổi pha của chất lỏng trong pin; nhiệt độ càng thấp thì càng tạo ra nhiều khí và sự thay đổi pha của chất lỏng trong pin càng chậm. Do đó, sự thay đổi vật liệu bên trong của pin diễn ra mạnh mẽ và phức tạp hơn ở nhiệt độ thấp, đồng thời dễ tạo ra khí và chất rắn bên trong vật liệu pin; đồng thời, nhiệt độ thấp sẽ dẫn đến hàng loạt phản ứng phá hủy như đứt gãy liên kết hóa học không thể đảo ngược tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu catốt và chất điện phân; nó cũng sẽ dẫn đến việc giảm khả năng tự lắp ráp và vòng đời của chất điện phân; khả năng truyền điện tích ion lithium tới chất điện phân sẽ giảm; Quá trình sạc và xả sẽ gây ra một loạt phản ứng dây chuyền như hiện tượng phân cực trong quá trình truyền điện tích lithium ion, suy giảm dung lượng pin và giải phóng ứng suất bên trong, ảnh hưởng đến tuổi thọ và mật độ năng lượng của pin lithium ion và các chức năng khác. Nhiệt độ ở nhiệt độ thấp càng thấp thì các phản ứng phá hủy khác nhau như phản ứng oxi hóa khử trên bề mặt pin, khuếch tán nhiệt, chuyển pha bên trong tế bào và thậm chí phá hủy hoàn toàn sẽ càng diễn ra mạnh mẽ và phức tạp hơn, từ đó sẽ gây ra một loạt các phản ứng dây chuyền như chất điện phân. tự lắp ráp, tốc độ phản ứng càng chậm thì dung lượng pin càng suy giảm nghiêm trọng và khả năng di chuyển điện tích lithium ion ở nhiệt độ cao càng kém.
3, Nhiệt độ thấp trong tiến trình nghiên cứu công nghệ pin lithium
Trong môi trường nhiệt độ thấp, độ an toàn, tuổi thọ và độ ổn định nhiệt độ của pin sẽ bị ảnh hưởng và không thể bỏ qua tác động của nhiệt độ thấp đến tuổi thọ của pin lithium. Hiện nay, nghiên cứu và phát triển công nghệ pin năng lượng nhiệt độ thấp sử dụng màng ngăn, chất điện phân, vật liệu điện cực dương và âm và các phương pháp khác đã đạt được một số tiến bộ. Trong tương lai, việc phát triển công nghệ pin lithium nhiệt độ thấp cần được cải thiện từ các khía cạnh sau: (1) phát triển hệ thống vật liệu pin lithium với mật độ năng lượng cao, tuổi thọ cao, độ suy giảm thấp, kích thước nhỏ và chi phí thấp ở nhiệt độ thấp ; (2) cải tiến liên tục việc kiểm soát điện trở bên trong pin thông qua thiết kế kết cấu và công nghệ chuẩn bị vật liệu; (3) trong quá trình phát triển hệ thống pin lithium dung lượng cao, chi phí thấp, cần chú ý đến các chất phụ gia điện phân, giao diện ion lithium và cực dương và cực âm và vật liệu hoạt động bên trong và các yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng; (4) cải thiện hiệu suất chu kỳ pin (sạc và xả năng lượng riêng), độ ổn định nhiệt của pin trong môi trường nhiệt độ thấp, sự an toàn của pin lithium trong môi trường nhiệt độ thấp và hướng phát triển công nghệ pin khác; (5) phát triển các giải pháp hệ thống pin năng lượng có hiệu suất an toàn cao, chi phí cao và chi phí thấp trong điều kiện nhiệt độ thấp; (6) phát triển các sản phẩm liên quan đến pin nhiệt độ thấp và thúc đẩy ứng dụng của chúng; (7) phát triển công nghệ thiết bị và vật liệu pin chịu nhiệt độ thấp hiệu suất cao.
Tất nhiên, ngoài các hướng nghiên cứu trên, cũng có nhiều hướng nghiên cứu nhằm cải thiện hơn nữa hiệu suất của pin trong điều kiện nhiệt độ thấp, cải thiện mật độ năng lượng của pin nhiệt độ thấp, giảm sự xuống cấp của pin trong môi trường nhiệt độ thấp, kéo dài tuổi thọ pin và các nghiên cứu khác tiến triển; nhưng vấn đề quan trọng hơn là làm thế nào để đạt được hiệu suất cao, độ an toàn cao, chi phí thấp, tầm hoạt động cao, tuổi thọ cao và giá thành thấp để thương mại hóa pin trong điều kiện nhiệt độ thấp là vấn đề hiện tại cần tập trung nghiên cứu để đột phá và giải quyết vấn đề.
Thời gian đăng: 22-11-2022