Het effect van VC-inhoud in elektrolyt op lithiumijzerfosfaat

Vinyleencarbonaat (VC) heeft een uitstekend aanpassingsvermogen aan zowel hoge als lage temperaturen. Het toevoegen van VC aan de elektrolyt kan helpen bij het vormen van een stabielere SEI-laag op het oppervlak van de anode in lithiumbatterijen. Daarom heeft het VC-gehalte een aanzienlijke invloed op de prestaties van lithium-ijzerfosfaat (LiFePO₄)-batterijen. Dit artikel bestudeert specifiek het effect van het VC-gehalte op de elektrochemische prestaties van LiFePO₄-batterijen onder lage- temperaturen. LiFePO₄-batterijen worden veel gebruikt in nieuwe energievoertuigen en energieopslagsystemen vanwege hun hoge veiligheid, lange levensduur, milieuvriendelijkheid en relatief lage kosten. Ze worden echter geconfronteerd met problemen zoals afname van de ontladingscapaciteit en verminderde energieretentie bij lage temperaturen (vooral onder de -20 graden), waardoor hun gebruik in koude gebieden wordt beperkt. Om dit probleem aan te pakken, worden vaak functionele additieven zoals VC aan de elektrolyt toegevoegd om de ionische geleidbaarheid bij lage -temperaturen te verbeteren, nevenreacties te onderdrukken en de elektrode-interface te stabiliseren, waardoor de prestaties van de batterij bij lage temperaturen worden verbeterd.

In deze studie werden vier soorten LiFePO₄-batterij-elektrolyten met verschillende VC-gehaltes (3,0%, 3,2%, 3,5%, 3,8%) bereid en samengevoegd tot buideltjes. De kathode gebruikte LiFePO₄ en de anode gebruikte kunstgrafiet. Alle batterijen werden onder dezelfde procesomstandigheden vervaardigd en ondergingen vorming en capaciteitsspreiding. Er werden elektrochemische tests uitgevoerd op elke groep batterijen bij -30 graden om systematisch belangrijke prestatie-indicatoren te vergelijken, zoals ontladingscapaciteit bij lage temperaturen, gelijkstroomweerstand (DCR), energie-efficiëntie en levensduur.

1. Afvoercapaciteit bij lage- temperatuur

Door de CV-curven van de batterij te testen onder lage- temperatuuromstandigheden en de batterijcapaciteit te berekenen op basis van het geïntegreerde oppervlak van de CV-curven.

Wanneer het VC-gehalte 3,5% is, vertoont de accu de hoogste ontladingscapaciteit bij -30 graden (5,6 Ah), aanzienlijk beter dan andere groepen (3,0%, 3,2% en 3,8% komen overeen met respectievelijk 4,6 Ah, 5,0 Ah en 5,0 Ah). Een geschikte hoeveelheid VC kan het vriespunt van de elektrolyt verlagen, de ionenmobiliteit vergroten en de kristallisatie van oplosmiddelen onderdrukken, waardoor de ontladingsprestaties bij lage temperaturen worden verbeterd.

2. Gelijkstroomweerstand (DCR)

DCR-tests van de batterij tonen aan dat wanneer het VC-gehalte 3,5% is, de DCR het laagst is (0,76 mΩ), wat wijst op een lagere grensvlakweerstand en een hogere efficiëntie van lithiumionentransport. Een overmatig VC-gehalte (bijvoorbeeld 3,8%) leidt tot een toename van de DCR, wat erop wijst dat te veel VC de grensvlakreactieweerstand kan verhogen.

3. Energie-efficiëntie bij lage- temperaturen

Wanneer het VC-gehalte 3,5% bedraagt, vertoont de batterij de hoogste energie-efficiëntie bij -30 graden (82,0%) en overtreft daarmee andere groepen (72,5%~79,0%). Dit wordt toegeschreven aan het feit dat VC de vorming van een stabiele SEI-film bevordert, polarisatieverliezen vermindert en de energieomzettingsefficiëntie verbetert.

4. Levensduur

Na 300 cycli vertoont de batterij met een VC-gehalte van 3,5% het hoogste capaciteitsbehoud (97,5%) en presteert daarmee beter dan andere groepen (90,0%~96,1%). VC kan SEI-filmdefecten tijdens het fietsen dynamisch repareren, de afbraak van elektrolyten en de gasontwikkeling remmen, waardoor de levensduur van de batterij bij lage temperaturen wordt verlengd.

ACEY-BA3040-20testapparatuur voor de batterijcycluswordt gebruikt om de levensduur, betrouwbaarheid, capaciteit en andere parameters van het batterijpakket te testen door middel van cyclische laad- en ontlaadtests.

• VC reduceert bij voorkeur op het grafietanode-oppervlak vóór de oplosmiddelmoleculen tijdens het initiële laad- en ontladingsproces, waardoor een dichte SEI-film ontstaat die rijk is aan anorganische componenten zoals Li₂CO₃. Deze film heeft een relatief hoge diffusiecoëfficiënt van lithium-ionen.

• Een geschikte hoeveelheid VC kan de solvatatiestructuur van de elektrolyt optimaliseren, de viscositeit verlagen en de ionische geleidbaarheid bij lage temperaturen verbeteren.

• Overmatige VC kan leiden tot een te dikke SEI-film of een verhoogde impedantie, wat feitelijk schadelijk is voor de prestatieverbetering.

Hoewel het artikel experimenten uitvoerde waarbij verschillende hoeveelheden VC werden vergeleken en bepaalde tests werden uitgevoerd om het optimale VC-gehalte in dit experiment te identificeren, omvatte het geen controlegroep zonder VC. Daarom kan niet worden geconcludeerd dat het toevoegen van VC noodzakelijkerwijs de prestaties van de batterij verbetert.