Utjecaj sadržaja VC u elektrolitu na litijum željezo fosfat

Vinilen karbonat (VC) ima odličnu prilagodljivost i visokim i niskim temperaturama. Dodavanje VC u elektrolit može pomoći u formiranju stabilnijeg SEI sloja na površini anode u litijumskim baterijama. Zbog toga sadržaj VC ima značajan uticaj na performanse litijum gvožđe-fosfatnih (LiFePO₄) baterija. Ovaj rad posebno proučava uticaj sadržaja VC na elektrohemijske performanse LiFePO₄ baterija u uslovima niskih{3}}temperatura. LiFePO₄ baterije se široko koriste u novim energetskim vozilima i sistemima za skladištenje energije zbog svoje visoke sigurnosti, dugog vijeka trajanja, ekološke prihvatljivosti i relativno niske cijene. Međutim, oni se suočavaju sa problemima kao što su opadanje kapaciteta pražnjenja i smanjeno zadržavanje energije na niskim temperaturama (posebno ispod -20 stepeni), što ograničava njihovu upotrebu u hladnim regionima. Da bi se riješio ovaj problem, funkcionalni aditivi kao što je VC se često dodaju u elektrolit kako bi poboljšali ionsku provodljivost na niskoj-jonskoj provodljivosti, suzbili nuspojave i stabilizirali sučelje elektrode, čime se poboljšavaju performanse baterije na niskim temperaturama.

U ovoj studiji pripremljene su četiri vrste LiFePO₄ baterijskih elektrolita sa različitim sadržajem VC (3,0%, 3,2%, 3,5%, 3,8%) i sastavljene u vrećice. Katoda je koristila LiFePO₄, a anoda je koristila umjetni grafit. Sve baterije su pripremljene pod istim procesnim uslovima i podvrgnute formiranju i disperziji kapaciteta. Elektrohemijski testovi su sprovedeni na svakoj grupi baterija na -30 stepeni da bi se sistematski uporedili ključni indikatori performansi kao što su kapacitet pražnjenja pri niskoj temperaturi, otpor jednosmernoj struji (DCR), energetska efikasnost i životni vek.

1. Niska-Kapacitet pražnjenja pri niskoj temperaturi

Testiranjem CV krive baterije u uslovima niske{0}}temperature i izračunavanjem kapaciteta baterije iz integrisane površine CV krive.

Kada je sadržaj VC 3,5%, baterija pokazuje najveći kapacitet pražnjenja na -30 stepeni (5,6 Ah), značajno bolje od ostalih grupa (3,0%, 3,2% i 3,8% odgovaraju 4,6 Ah, 5,0 Ah, odnosno 5,0 Ah). Odgovarajuća količina VC može sniziti tačku smrzavanja elektrolita, povećati pokretljivost jona i potisnuti kristalizaciju rastvarača, čime se poboljšava učinak pražnjenja pri niskim temperaturama.

2. Otpor istosmjerne struje (DCR)

DCR testovi baterije pokazuju da kada je sadržaj VC 3,5%, DCR je najniži (0,76 mΩ), što ukazuje na nižu međufaznu otpornost i veću efikasnost transporta litijum{2}}jona. Prekomjeran sadržaj VC (npr. 3,8%) dovodi do povećanja DCR, što sugerira da previše VC može povećati otpornost međufaznih reakcija.

3. Energetska efikasnost na niskim temperaturama

Kada je sadržaj VC 3,5%, baterija pokazuje najveću energetsku efikasnost na -30 stepeni (82,0%), nadmašujući druge grupe (72,5%~79,0%). Ovo se pripisuje VC koji promoviše formiranje stabilnog SEI filma, smanjuje gubitke polarizacije i povećava efikasnost konverzije energije.

4. Životni ciklus

Nakon 300 ciklusa, baterija sa 3,5% VC sadržaja pokazuje najveće zadržavanje kapaciteta (97,5%), nadmašujući druge grupe (90,0%~96,1%). VC može dinamički popraviti defekte SEI filma tokom ciklusa, inhibirati razgradnju elektrolita i stvaranje plina, čime se produžava vijek trajanja baterije na niskim temperaturama.

ACEY{0}}BA3040-20oprema za testiranje ciklusa baterijekoristi se za testiranje životnog vijeka, pouzdanosti, kapaciteta i drugih parametara baterije kroz test cikličkog punjenja i pražnjenja.

• VC se prvenstveno smanjuje na površini grafitne anode prije molekula rastvarača tokom početnog procesa punjenja i pražnjenja, formirajući gust SEI film bogat neorganskim komponentama kao što je Li₂CO₃. Ovaj film ima relativno visok koeficijent difuzije litijum{1}}jona.

• Odgovarajuća količina VC može optimizirati solvacionu strukturu elektrolita, smanjiti viskozitet i poboljšati jonsku provodljivost na niskim temperaturama.

• Prevelik VC može dovesti do pregustog SEI filma ili povećane impedanse, što je zapravo štetno za poboljšanje performansi.

Iako je članak sproveo eksperimente upoređujući različite količine VC i izvršio određene testove, identifikujući optimalni sadržaj VC u ovom eksperimentu, nije uključivao kontrolnu grupu bez VC. Stoga se ne može zaključiti da dodavanje VC-a nužno poboljšava performanse baterije.