Elektrolyytin VC-sisällön vaikutus litiumrautafosfaattiin

Vinyleenikarbonaatilla (VC) on erinomainen sopeutumiskyky sekä korkeisiin että alhaisiin lämpötiloihin. VC:n lisääminen elektrolyyttiin voi auttaa muodostamaan vakaamman SEI-kerroksen litiumakkujen anodin pinnalle. Siksi VC-pitoisuudella on merkittävä vaikutus litiumrautafosfaatti (LiFePO₄) -akkujen suorituskykyyn. Tässä artikkelissa tutkitaan erityisesti VC-sisällön vaikutusta LiFePO₄-akkujen sähkökemialliseen suorituskykyyn matalissa -lämpötiloissa. LiFePO₄-akkuja käytetään laajasti uusissa energiaajoneuvoissa ja energian varastointijärjestelmissä niiden korkean turvallisuuden, pitkän käyttöiän, ympäristöystävällisyyden ja suhteellisen alhaisten kustannusten vuoksi. Niissä on kuitenkin ongelmia, kuten purkauskapasiteetin heikkeneminen ja energianpidätyskyvyn väheneminen matalissa lämpötiloissa (erityisesti alle -20 astetta), mikä rajoittaa niiden käyttöä kylmillä alueilla. Tämän ongelman ratkaisemiseksi elektrolyyttiin lisätään usein funktionaalisia lisäaineita, kuten VC, parantamaan matalan lämpötilan ioninjohtavuutta, estämään sivureaktioita ja stabiloimaan elektrodirajapintaa, mikä parantaa akun suorituskykyä alhaisessa lämpötilassa.

Tässä tutkimuksessa valmistettiin ja koottiin pussikennoiksi neljää erilaista LiFePO4-akkuelektrolyyttiä, joilla oli eri VC-pitoisuudet (3,0%, 3,2%, 3,5%, 3,8%). Katodissa käytettiin LiFePO4 ja anodissa keinotekoista grafiittia. Kaikki akut valmistettiin samoissa prosessiolosuhteissa, ja niille tehtiin muodostus ja kapasiteetin hajoaminen. Jokaiselle akkuryhmälle suoritettiin sähkökemialliset testit -30 asteessa, jotta voidaan verrata järjestelmällisesti keskeisiä suorituskykyindikaattoreita, kuten alhaisen lämpötilan purkauskapasiteettia, tasavirtavastusta (DCR), energiatehokkuutta ja käyttöikää.

1. Alhainen-lämpötilapurkauskapasiteetti

Testaamalla akun CV-käyrät alhaisessa{0}}lämpötiloissa ja laskemalla akun kapasiteetti CV-käyrien integroidun alueen perusteella.

Kun VC-pitoisuus on 3,5 %, akun purkauskapasiteetti on suurin -30 asteessa (5,6 Ah), mikä on huomattavasti parempi kuin muut ryhmät (3,0 %, 3,2 % ja 3,8 % vastaavasti 4,6 Ah, 5,0 Ah ja 5,0 Ah). Sopiva määrä VC:tä voi alentaa elektrolyytin jäätymispistettä, lisätä ionien liikkuvuutta ja estää liuottimen kiteytymistä, mikä parantaa alhaisen lämpötilan purkauskykyä.

2. Tasavirtavastus (DCR)

Akun DCR-testit osoittavat, että kun VC-pitoisuus on 3,5 %, DCR on alhaisin (0,76 mΩ), mikä osoittaa alhaisemman rajapinnan resistanssin ja korkeamman litium-ionien siirtotehokkuuden. Liiallinen VC-pitoisuus (esim. 3,8 %) johtaa DCR:n kasvuun, mikä viittaa siihen, että liian suuri VC voi lisätä rajapintojen reaktiovastusta.

3. Matala-energiatehokkuus

Kun VC-pitoisuus on 3,5 %, akun energiatehokkuus on korkein -30 asteessa (82,0 %), ohittaen muut ryhmät (72,5 % ~ 79,0 %). Tämä johtuu siitä, että VC edistää vakaan SEI-kalvon muodostumista, vähentää polarisaatiohäviöitä ja parantaa energian muunnostehokkuutta.

4. Cycle Life

300 jakson jälkeen akku, jonka VC-pitoisuus on 3,5 %, säilyttää suurimman kapasiteetin (97,5 %), ylittäen muut ryhmät (90,0 % ~ 96,1 %). VC voi dynaamisesti korjata SEI-kalvoviat pyöräilyn aikana, estää elektrolyytin hajoamista ja kaasun muodostusta, mikä pidentää akun käyttöikää alhaisissa lämpötiloissa.

ACEY-BA3040-20akun syklin testauslaitteetKäytetään akun käyttöiän, luotettavuuden, kapasiteetin ja muiden parametrien testaamiseen syklisellä lataus- ja purkaustestillä.

• VC pelkistyy ensisijaisesti grafiittianodin pinnalla ennen liuotinmolekyylejä alkulataus- ja purkuprosessin aikana muodostaen tiheän SEI-kalvon, jossa on runsaasti epäorgaanisia komponentteja, kuten Li₂CO3. Tällä kalvolla on suhteellisen korkea litium-ionien diffuusiokerroin.

• Sopiva määrä VC:tä voi optimoida elektrolyytin solvataatiorakenteen, vähentää viskositeettia ja parantaa ioninjohtavuutta alhaisissa lämpötiloissa.

• Liiallinen VC voi johtaa liian paksuun SEI-kalvoon tai lisääntyneeseen impedanssiin, mikä on itse asiassa haitallista suorituskyvyn parantamiselle.

Vaikka artikkelissa tehtiin kokeita, joissa verrattiin eri määriä VC:tä ja suoritettiin tiettyjä testejä, joilla tunnistettiin optimaalinen VC-pitoisuus tässä kokeessa, se ei sisältänyt kontrolliryhmää ilman VC:tä. Tästä syystä ei voida päätellä, että VC:n lisääminen välttämättä parantaisi akun suorituskykyä.