Die Wirkung des VC-Gehalts im Elektrolyten auf Lithiumeisenphosphat

Vinylencarbonat (VC) weist eine hervorragende Anpassungsfähigkeit sowohl an hohe als auch niedrige Temperaturen auf. Die Zugabe von VC zum Elektrolyten kann dazu beitragen, eine stabilere SEI-Schicht auf der Oberfläche der Anode in Lithiumbatterien zu bilden. Daher hat der VC-Gehalt einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO₄). In diesem Artikel wird speziell die Auswirkung des VC-Gehalts auf die elektrochemische Leistung von LiFePO₄-Batterien unter Niedrigtemperaturbedingungen untersucht. LiFePO₄-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Sicherheit, langen Lebensdauer, Umweltfreundlichkeit und relativ geringen Kosten häufig in Fahrzeugen und Energiespeichersystemen mit neuer Energie eingesetzt. Bei niedrigen Temperaturen (insbesondere unter -20 Grad) sind sie jedoch mit Problemen wie einem Abfall der Entladekapazität und einer verringerten Energiespeicherung konfrontiert, was ihren Einsatz in kalten Regionen einschränkt. Um dieses Problem anzugehen, werden dem Elektrolyten häufig funktionelle Additive wie VC zugesetzt, um die Ionenleitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen zu verbessern, Nebenreaktionen zu unterdrücken und die Elektrodenschnittstelle zu stabilisieren, wodurch die Leistung der Batterie bei niedrigen Temperaturen verbessert wird.

In dieser Studie wurden vier Arten von LiFePO₄-Batterieelektrolyten mit unterschiedlichen VC-Gehalten (3,0 %, 3,2 %, 3,5 %, 3,8 %) hergestellt und zu Pouch-Zellen zusammengebaut. Als Kathode wurde LiFePO₄ und als Anode künstlicher Graphit verwendet. Alle Batterien wurden unter den gleichen Prozessbedingungen hergestellt und einer Formierung und Kapazitätsverteilung unterzogen. An jeder Batteriegruppe wurden elektrochemische Tests bei -30 Grad durchgeführt, um wichtige Leistungsindikatoren wie Entladekapazität bei niedrigen Temperaturen, Gleichstromwiderstand (DCR), Energieeffizienz und Lebensdauer systematisch zu vergleichen.

1. Entladekapazität bei niedriger-Temperatur

Durch Testen der CV-Kurven der Batterie unter niedrigen{0}Temperaturbedingungen und Berechnen der Batteriekapazität aus der integrierten Fläche der CV-Kurven.

Wenn der VC-Gehalt 3,5 % beträgt, zeigt die Batterie die höchste Entladekapazität bei -30 Grad (5,6 Ah), deutlich besser als andere Gruppen (3,0 %, 3,2 % und 3,8 % entsprechen 4,6 Ah, 5,0 Ah bzw. 5,0 Ah). Eine angemessene Menge an VC kann den Gefrierpunkt des Elektrolyten senken, die Ionenmobilität erhöhen und die Lösungsmittelkristallisation unterdrücken, wodurch die Entladungsleistung bei niedrigen Temperaturen verbessert wird.

2. Gleichstromwiderstand (DCR)

DCR-Tests der Batterie zeigen, dass bei einem VC-Gehalt von 3,5 % der DCR am niedrigsten ist (0,76 mΩ), was auf einen geringeren Grenzflächenwiderstand und eine höhere Lithium-Ionen-Transporteffizienz hinweist. Ein zu hoher VC-Gehalt (z. B. 3,8 %) führt zu einem Anstieg des DCR, was darauf hindeutet, dass zu viel VC den Widerstand gegen Grenzflächenreaktionen erhöhen kann.

3. Energieeffizienz bei niedrigen-Temperaturen

Wenn der VC-Gehalt 3,5 % beträgt, weist die Batterie die höchste Energieeffizienz bei -30 Grad (82,0 %) auf und übertrifft andere Gruppen (72,5 % bis 79,0 %). Dies wird darauf zurückgeführt, dass VC die Bildung eines stabilen SEI-Films fördert, Polarisationsverluste reduziert und die Effizienz der Energieumwandlung erhöht.

4. Zyklusleben

Nach 300 Zyklen weist die Batterie mit 3,5 % VC-Gehalt die höchste Kapazitätserhaltung (97,5 %) auf und übertrifft andere Gruppen (90,0 % bis 96,1 %). VC kann SEI-Filmdefekte während des Zyklus dynamisch reparieren, die Elektrolytzersetzung und Gasbildung hemmen und so die Zykluslebensdauer der Batterie bei niedrigen Temperaturen verlängern.

ACEY-BA3040-20Batteriezyklustestgerätewird verwendet, um die Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Kapazität und andere Parameter des Akkupacks durch zyklische Lade- und Entladetests zu testen.

• VC reduziert sich während des anfänglichen Lade- und Entladevorgangs vorzugsweise auf der Graphitanodenoberfläche vor den Lösungsmittelmolekülen und bildet einen dichten SEI-Film, der reich an anorganischen Komponenten wie Li₂CO₃ ist. Dieser Film hat einen relativ hohen Lithium--Ionen-Diffusionskoeffizienten.

• Eine angemessene Menge an VC kann die Solvatationsstruktur des Elektrolyten optimieren, die Viskosität verringern und die Ionenleitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen verbessern.

• Übermäßige VC kann zu einem übermäßig dicken SEI-Film oder einer erhöhten Impedanz führen, was der Leistungsverbesserung tatsächlich abträglich ist.

Obwohl der Artikel Experimente zum Vergleich unterschiedlicher VC-Mengen durchführte und bestimmte Tests durchführte, um den optimalen VC-Gehalt in diesem Experiment zu ermitteln, enthielt er keine Kontrollgruppe ohne VC. Daher kann nicht der Schluss gezogen werden, dass die Zugabe von VC zwangsläufig die Leistung der Batterie verbessert.