اثر محتوای VC در الکترولیت بر روی فسفات آهن لیتیوم

وینیل کربنات (VC) سازگاری عالی با دماهای بالا و پایین دارد. افزودن VC به الکترولیت می تواند به تشکیل یک لایه SEI پایدارتر روی سطح آند در باتری های لیتیومی کمک کند. بنابراین، محتوای VC تأثیر قابل توجهی بر عملکرد باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) دارد. این مقاله به طور خاص تأثیر محتوای VC را بر عملکرد الکتروشیمیایی باتری‌های LiFePO4 در شرایط دمای پایین{3}} بررسی می‌کند. باتری های LiFePO4 به دلیل ایمنی بالا، عمر چرخه طولانی، سازگاری با محیط زیست و هزینه نسبتا کم به طور گسترده در وسایل نقلیه انرژی جدید و سیستم های ذخیره انرژی استفاده می شوند. با این حال، آنها با مسائلی مانند کاهش ظرفیت تخلیه و کاهش احتباس انرژی در دماهای پایین (به ویژه زیر -20 درجه) مواجه هستند که استفاده از آنها را در مناطق سرد محدود می کند. برای رفع این مشکل، افزودنی‌های کاربردی مانند VC اغلب به الکترولیت اضافه می‌شوند تا رسانایی یونی در دمای پایین را بهبود ببخشند، واکنش‌های جانبی را سرکوب کنند، و رابط الکترود را تثبیت کنند و در نتیجه عملکرد باتری در دمای پایین را افزایش دهند.

در این مطالعه، چهار نوع الکترولیت باتری LiFePO4 با محتوای VC مختلف (3.0٪، 3.2٪، 3.5٪، 3.8٪) تهیه و در سلول های کیسه ای مونتاژ شدند. در کاتد از LiFePO4 و در آند از گرافیت مصنوعی استفاده شد. تمام باتری ها تحت شرایط فرآیند یکسان آماده شدند و تحت شکل گیری و پراکندگی ظرفیت قرار گرفتند. آزمایش‌های الکتروشیمیایی روی هر گروه از باتری‌ها در -30 درجه انجام شد تا به طور سیستماتیک شاخص‌های عملکرد کلیدی مانند ظرفیت تخلیه در دمای پایین، مقاومت جریان مستقیم (DCR)، بازده انرژی و عمر چرخه مقایسه شود.

1.{1}}ظرفیت تخلیه دمای پایین

با آزمایش منحنی‌های CV باتری در شرایط دمای پایین-و محاسبه ظرفیت باتری از ناحیه یکپارچه منحنی‌های CV.

وقتی محتوای VC 3.5٪ است، باتری بالاترین ظرفیت تخلیه را در -30 درجه (5.6 Ah) نشان می‌دهد که به طور قابل‌توجهی بهتر از سایر گروه‌ها (3.0٪، 3.2٪ و 3.8٪ به ترتیب با 4.6 Ah، 5.0 Ah و 5.0 Ah مطابقت دارد). مقدار مناسب VC می تواند نقطه انجماد الکترولیت را کاهش دهد، تحرک یون ها را افزایش دهد، و کریستالیزاسیون حلال را سرکوب کند، در نتیجه عملکرد تخلیه در دمای پایین را بهبود بخشد.

2. مقاومت جریان مستقیم (DCR)

آزمایش‌های DCR باتری نشان می‌دهد که وقتی محتوای VC 3.5٪ است، DCR کمترین (0.76 mΩ) است، که نشان‌دهنده مقاومت سطحی کمتر و راندمان انتقال یون لیتیوم{2}} بالاتر است. محتوای VC بیش از حد (به عنوان مثال، 3.8٪) منجر به افزایش DCR می شود، که نشان می دهد که VC بیش از حد ممکن است مقاومت واکنش سطحی را افزایش دهد.

3. راندمان انرژی در دمای پایین-

هنگامی که محتوای VC 3.5٪ است، باتری بالاترین بازده انرژی را در -30 درجه (82.0٪) نشان می دهد، که از سایر گروه ها (72.5٪ ~ 79.0٪) پیشی می گیرد. این به دلیل ترویج تشکیل یک فیلم SEI پایدار، کاهش تلفات پلاریزاسیون و افزایش بازده تبدیل انرژی VC است.

4. چرخه زندگی

پس از 300 چرخه، باتری با 3.5٪ محتوای VC بالاترین ظرفیت نگهداری (97.5٪) را نشان می دهد، که بهتر از سایر گروه ها (90.0٪ ~ 96.1٪) است. VC می تواند به صورت پویا عیوب فیلم SEI را در طول چرخه تعمیر کند، از تجزیه الکترولیت و تولید گاز جلوگیری کند، در نتیجه عمر چرخه باتری را در دماهای پایین افزایش دهد.

ACEY{0}}BA3040-20تجهیزات تست چرخه باتریبرای آزمایش طول عمر، قابلیت اطمینان، ظرفیت و سایر پارامترهای بسته باتری از طریق آزمایش شارژ و دشارژ چرخه ای استفاده می شود.

• VC ترجیحاً روی سطح آند گرافیت قبل از مولکول‌های حلال در طول فرآیند شارژ و تخلیه اولیه کاهش می‌یابد و یک فیلم SEI متراکم غنی از اجزای معدنی مانند Li2CO3 تشکیل می‌دهد. این فیلم دارای ضریب انتشار یون لیتیوم{1} نسبتاً بالایی است.

• مقدار مناسب VC می تواند ساختار حلالیت الکترولیت را بهینه کند، ویسکوزیته را کاهش دهد و هدایت یونی را در دماهای پایین بهبود بخشد.

• VC بیش از حد ممکن است منجر به یک فیلم SEI بسیار ضخیم یا افزایش امپدانس شود که در واقع برای بهبود عملکرد مضر است.

اگرچه این مقاله آزمایش‌هایی را با مقایسه مقادیر مختلف VC انجام داد و آزمایش‌های خاصی را انجام داد، اما محتوای بهینه VC را در این آزمایش شناسایی کرد، اما شامل گروه کنترل بدون VC نمی‌شد. بنابراین، نمی توان نتیجه گرفت که افزودن VC لزوماً عملکرد باتری را بهبود می بخشد.