低温リチウムイオン電池性能向上方法

リチウムイオンバッテリーの低温性能が低下する主な要因はまだ議論されています。主な理由は次のとおりです。低温で電解質の粘度が増加し、導電率が低下します。電解質/電極界面の膜抵抗と電荷移動抵抗が増加します。活物質本体にリチウムイオンが含まれています媒体中の移動速度が低下します。その結果、低温時の電極分極が大きくなり、充放電容量が低下します。

リチウムイオン電池の低温充電中、特に低温高率充電中は、負極にリチウム金属の析出・析出が起こります。析出した金属リチウムは、電解液と不可逆的に反応しやすく、電解液を大量に消費します。同時に、SEIフィルムの厚さがさらに増加し​​、バッテリーの負極表面フィルムのインピーダンスがさらに増加し​​、バッテリーの分極が再び増加し、低温性能が大きく損なわれます、バッテリーのサイクル寿命と安全性能。

低温リチウムイオン電池性能向上法電池の低温性能を正極、電解質、負極の3つの側面から向上させる改良法。

1.カソード材料

低温でのカソード材料のイオン拡散性能を向上させる主な方法は次のとおりです。

1導電性材料に優れた活物質体の表面被覆法により、正極材料界面の導電性を向上させ、界面インピーダンスを低減するとともに、正極材料と電解液の副反応を低減し、材料構造を安定化します。

2材料本体にMn、Al、Cr、Mg、Fおよびその他の元素を一括でドープし、材料の層間隔を広げて本体内のLi +の拡散率を高め、拡散を減らしますLi +の抵抗、およびバッテリーの低温性能を向上させます。

3材料の粒子サイズを小さくし、Li +移行パスを短くします。この方法では、材料の比表面積が増加し、電解質との副反応が増加することを指摘しておく必要があります。

2.電解質

電解質は、リチウムイオンバッテリーの重要な部分として、液相でのLi +の移動速度を決定するだけでなく、SEIフィルムの形成にも関与します。 SEIフィルム。低温では、電解質の粘度が増加し、導電率が低下し、SEIフィルムのインピーダンスが増加し、正および負の材料との適合性が低下し、バッテリーのエネルギー密度とサイクル性能が大幅に低下します。

現在、電解質を介して低温性能を改善するには2つの方法があります。

（1）溶媒の組成を最適化し、新しい電解質塩を使用することにより、電解質の低温伝導率を向上させます。

（2）新しい添加剤を使用してSEIフィルムの特性を改善し、低温でのLi +伝導を促進します。

1溶媒組成を最適化する

電解液の低温性能は、主にその低温共晶点によって決まります。融点が高すぎると、低温で電解質が結晶化しやすくなり、電解質の導電率に大きな影響を与えます。エチレンカーボネート（EC）は電解質の主要な溶媒成分ですが、その融点は36°Cであり、電解質への溶解度が低下するか、低温で沈殿するため、低温性能に大きな影響を与えます電池。低融点成分と低粘度成分を添加して溶剤のEC含有量を低減することで、低温での電解液の粘度と共晶点を効果的に低減でき、電解液の導電率を向上できます。

2新しい電解質塩

電解質塩は電解質の重要な成分の1つであり、優れた低温性能を得るための重要な要素でもあります。現在、市販の電解質塩は六フッ化リン酸リチウムであり、形成されたSEI膜はインピーダンスが大きく、低温性能が悪い。新しいタイプのリチウム塩の開発が差し迫っています。テトラフルオロホウ酸リチウムは、陰イオン半径が小さく、会合しやすく、導電性がLiPF6よりも低くなりますが、低温での電荷移動抵抗が低く、電解質塩として低温性能が優れています。

3添加剤

SEIフィルムは、バッテリーの低温性能に非常に重要な影響を与えます。これはイオン伝導体および電子絶縁体であり、Li +が液相から電極表面に到達するためのチャネルです。低温では、SEIフィルムのインピーダンスが増加し、SEIフィルム内のLi +の拡散率が急激に減少します。これにより、電極の表面に電荷が蓄積され、リチウムが減少します。グラファイトの挿入容量と分極の増加。 ＳＥＩフィルムの組成およびフィルム形成条件を最適化することにより、低温でのＳＥＩフィルムのイオン伝導率を改善することは、電池の低温性能の改善に有益である。したがって、優れた低温性能を備えたフィルム形成添加剤の開発は、現在の研究ホットスポットです。

要約すると、電解質の導電率と皮膜形成抵抗は、リチウムイオンバッテリーの低温性能に重要な影響を与えます。低温電解質の場合、電解質溶媒系、リチウム塩、添加剤の3つの側面から包括的に最適化する必要があります。電解質溶媒は、融点が低く、粘度が低く、誘電率が高い溶媒系を選択する必要があります。線状カルボン酸溶媒は優れた低温性能を備えていますが、サイクル性能に大きな影響を与え、環状炭酸とECやPCなどのエステルの高誘電率のブレンドを一致させる必要があります。リチウム塩と添加剤の場合、主な考慮事項は、成膜抵抗を減らし、リチウムイオンの移動速度を上げることです。さらに、低温でリチウム塩濃度を適切に上げると、電解液の導電率が上がり、低温性能が向上します。

3.アノード材料

カーボンアノード材料中のリチウムイオンの拡散速度条件の悪化が、リチウムイオンバッテリーの低温性能を制限する主な理由です。したがって、アノードの電気化学分極は充電プロセス中に大幅に強化され、アノードの表面に金属リチウムが析出しやすくなります。

適切なアノード材料を選択することは、バッテリーの低温性能を改善するための重要な要素です。現在、低温性能の最適化は、主にアノードの表面処理、表面コーティング、層間隔を広げるためのドーピング、および粒子サイズの制御の方法によって行われています。

1表面処理

表面処理には、表面酸化とフッ素化が含まれます。表面処理により、グラファイト表面の活性点が減少し、不可逆的な容量損失が減少し、Li-+の透過を促進し、インピーダンスを低下させるマイクロナノ構造の細孔を生成できます。

2表面コーティング

カーボンコーティングや金属コーティングなどの表面コーティングは、負極と電解質間の直接接触を回避できるだけでなく、電解質と負極の互換性を向上させるだけでなく、グラファイトの導電率を高め、より多くのリチウム挿入サイトを提供し不可逆的な容量削減。さらに、ソフトカーボンまたはハードカーボン材料の層間隔は、グラファイトの層間隔よりも大きくなります。負極にソフトカーボンまたはハードカーボン材料の層をコーティングすると、リチウムイオンの拡散が容易になり、SEIフィルムの抵抗が減少するため、バッテリーの低温性能が向上します。少量のAgの表面コーティングにより、負極材料の導電性が向上し、低温での優れた電気化学性能を発揮します。

3グラファイト層間の間隔を広げる

グラファイトのアノードは層間間隔が小さく、低温でのグラファイト層間のリチウムイオンの拡散率が低下するため、分極が増加します。グラファイト準備プロセスでのB、N、S、Kおよびその他の元素の導入により、グラファイトの構造が変更され、増加する可能性があります。 Pの原子半径（0.106pm）はCの原子半径（0.077pm）よりも大きい。 Pドーピングは、グラファイトの層間間隔を広げ、リチウムイオンの拡散能力を高め、場合によってはそれを改善します。炭素材料中のグラファイト結晶子の含有量。炭素材料へのKの導入により、挿入化合物KC8が形成されます。カリウムが除去されると、炭素材料の層間の間隔が増加します。これは、リチウムの迅速な挿入に有益であり、それにより、バッテリーの低温性能が向上します。

4負極粒子のサイズを制御する

負極の粒子サイズが大きいほど、リチウムイオンの拡散経路が長くなり、拡散抵抗が大きくなるため、濃度分極が増加し、低温性能が低下します。したがって、負極材料の粒径を適切に小さくすることにより、グラファイト層間のリチウムイオンの移動距離を効果的に短縮し、拡散抵抗を低減し、電解質浸透面積を増加させ、電池の低温性能を向上させることができる。さらに、小さな粒子サイズの単一粒子で造粒されたグラファイト負極は、等方性が高く、より多くのリチウム挿入サイトを提供でき、分極を低減でき、バッテリーの低温性能を大幅に改善できます。

リチウムイオン電池の低温性能は、リチウム電池の用途を制限する重要な要素です。リチウム電池の低温性能をいかに向上させるかは、現在の研究のホットで難しいポイントです。リチウム電池の低温性能を改善するには、電池内の正極、負極、電解質などの包括的な要因の影響を考慮する必要があります。電解質溶媒、添加剤、リチウム塩の組成を最適化することにより、電解質の導電性が向上し、耐成膜性が低下します。電極材料は、ドーピング、コーティング、造粒などの修飾処理を経て、材料構造を最適化し、活物質本体内のLi +の界面抵抗と拡散抵抗を低減します。電池システムの全体的な最適化により、低温でのリチウム電池の分極が低減され、電池の低温性能がさらに向上します。