מדוע הקיבולת של סוללת ליתיום הופכת נמוכה יותר בחורף?

סוללות ליתיום-יון נמצאות בשימוש נרחב בשל אורך החיים הארוך שלהן, הקיבולת הספציפית הגדולה שלהן וללא אפקט זיכרון מאז שהן נכנסו לשוק. לשימוש בטמפרטורות נמוכות של סוללות ליתיום-יון יש בעיות כמו קיבולת נמוכה, הנחתה חמורה, ביצועי קצב מחזור גרועים, משקעי ליתיום ברורים וביטול ליתיום לא מאוזן. עם זאת, עם ההתרחבות המתמשכת של שדות היישום, האילוצים שהביאו בעקבות הביצועים הירודים בטמפרטורה נמוכה של סוללות ליתיום-יון הפכו ברורים יותר ויותר.

לפי דיווחים, קיבולת הפריקה של סוללות ליתיום-יון ב--20 מעלות היא רק כ-31.5 אחוזים מזו בטמפרטורת החדר. טמפרטורת הפעולה של סוללות ליתיום-יון מסורתיות היא בין -20 ל-55 מעלות פלוס. עם זאת, בתחום התעופה והחלל, התעשייה הצבאית, כלי רכב חשמליים ותחומים אחרים, סוללות נדרשות לעבוד כרגיל בדרגה -40 . לכן, יש משמעות רבה לשפר את תכונות הטמפרטורה הנמוכה של סוללות ליתיום-יון.

גורמים המגבילים את ביצועי הטמפרטורה הנמוכה של סוללות ליתיום-יון

בסביבת טמפרטורה נמוכה, צמיגות האלקטרוליט עולה, ואף מתמצקת חלקית, וכתוצאה מכך ירידה במוליכות של סוללת הליתיום-יון.

בסביבה של טמפרטורה נמוכה, התאימות בין האלקטרוליט, האלקטרודה השלילית והמפריד הופכת לקויה.

ליתיום מושקע ברצינות מהאלקטרודה השלילית של סוללת הליתיום-יון בסביבה בטמפרטורה נמוכה, והליתיום המתכת המשקע מגיב עם האלקטרוליט, ושקיעת המוצר שלו מובילה לעלייה בעובי של ממשק האלקטרוליט המוצק (SEI) .

בסביבת טמפרטורה נמוכה, מערכת הדיפוזיה של סוללות ליתיום-יון בחומר הפעיל פוחתת, והתנגדות העברת המטען (Rct) עולה באופן משמעותי.

דיון על הגורמים הקובעים המשפיעים על ביצועי הטמפרטורה הנמוכה של סוללות Li-ion

חוות דעת מומחה 1: לאלקטרוליט יש את ההשפעה הגדולה ביותר על ביצועי הטמפרטורה הנמוכה של סוללות ליתיום-יון, ולהרכב ולתכונות הפיזיקליות והכימיות של האלקטרוליט יש השפעה חשובה על ביצועי הסוללה בטמפרטורה נמוכה. הבעיה העומדת בפני מחזור הסוללה בטמפרטורה נמוכה היא: צמיגות האלקטרוליט תגדל, מהירות הולכת היונים תאט, ומהירות נדידת האלקטרונים של המעגל החיצוני לא תתאים. לכן, הסוללה תהיה מקוטבת בצורה חמורה ויכולת הטעינה והפריקה תפחת בחדות. במיוחד בעת טעינה בטמפרטורה נמוכה, יוני ליתיום יכולים ליצור בקלות דנדריטים ליתיום על פני האלקטרודה השלילית, מה שמוביל לכשל בסוללה.

ביצועי האלקטרוליט בטמפרטורה נמוכה קשורים קשר הדוק למוליכות האלקטרוליט עצמו. האלקטרוליט בעל מוליכות גבוהה יכול להעביר יונים מהר יותר ויכול להפעיל יותר קיבולת בטמפרטורות נמוכות. ככל שמלחי ליתיום מפורקים יותר באלקטרוליט, כך מספרי הגירה גבוהים יותר והמוליכות גבוהה יותר. ככל שהמוליכות גבוהה יותר, קצב הולכת היונים מהיר יותר, הקיטוב קטן יותר וביצועי הסוללה טובים יותר בטמפרטורה נמוכה. לכן, מוליכות גבוהה יותר היא תנאי הכרחי להשגת ביצועים טובים בטמפרטורה נמוכה של סוללות ליתיום-יון.

מוליכות האלקטרוליט קשורה להרכב האלקטרוליט, והפחתת צמיגות הממס היא אחת הדרכים להגברת המוליכות של האלקטרוליט. ממס הנזילות הטובה של הממס בטמפרטורה נמוכה היא הערובה להובלת יונים, וסרט האלקטרוליט המוצק שנוצר על ידי האלקטרוליט על האלקטרודה השלילית בטמפרטורה נמוכה הוא גם המפתח להולכה של יוני ליתיום, ו-RSEI הוא העכבה העיקרית של סוללות ליתיום-יון בסביבות טמפרטורה נמוכה.

מומחה 2: הגורם העיקרי המגביל את הביצועים בטמפרטורות נמוכות של סוללות ליתיום-יון הוא התנגדות ה-Li פלוס המוגברת בחדות בטמפרטורות נמוכות, ולא סרט ה-SEI.

מאפיינים בטמפרטורה נמוכה של חומרי קתודה עבור סוללות ליתיום-יון

תכונות טמפרטורה נמוכה של חומרי קתודה בשכבות

המבנה השכבתי, אשר לא רק בעל ביצועי קצב שאין דומה לו של תעלת הדיפוזיה החד-ממדית של ליתיום-יון, אלא גם בעל היציבות המבנית של הערוץ התלת-ממדי, הוא החומר הקתודי הקתודי המוקדם ביותר של סוללת ליתיום-יון. החומרים המייצגים שלו הם LiCoO2, Li(Co1-xNix)O2 ו-Li(Ni, Co, Mn)O2 וכן הלאה.