लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी के निम्न तापमान प्रदर्शन में सुधार कैसे किया जाए?

अन्य कैथोड सामग्री की तुलना में, LiFePO4 इलेक्ट्रोड सामग्री के कई फायदे हैं, जैसे उच्च सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता, स्थिर कार्य वोल्टेज, स्थिर संरचना, अच्छी साइक्लेबिलिटी,कच्चे माल की कम लागत और पर्यावरण के अनुकूलइसलिए यह सामग्री एक आदर्श सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री है और पावर बैटरी के लिए मुख्य सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री में से एक के रूप में चुना जाता है।

कई शोधकर्ताओं ने निम्न तापमान पर LIB के प्रदर्शन में तेजी से गिरावट के तंत्र का अध्ययन किया है, and it is believed that the deposition of active lithium and its catalytically grown solid-state electrolyte interface (SEI) lead to the decrease of ionic conductivity and the decrease of electron mobility in the electrolyte. गिरावट, जिसके कारण एलआईबी की क्षमता और शक्ति में कमी आती है और कभी-कभी बैटरी के प्रदर्शन में भी विफलता होती है।LIB के निम्न तापमान वाले कार्य वातावरण मुख्य रूप से सर्दियों और उच्च अक्षांश और उच्च ऊंचाई वाले क्षेत्रों में होते हैं, जहां निम्न तापमान वातावरण LIB के प्रदर्शन और जीवनकाल को प्रभावित करेगा, और यहां तक कि अत्यंत गंभीर सुरक्षा समस्याएं पैदा करेगा।

निम्न तापमान से प्रभावित होकर, लिथियम इंटरकेलेशन की दर ग्राफाइट में कम हो जाती है, और धातु लिथियम आसानी से नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर लिथियम डेंड्राइट्स बनाने के लिए अवशोषित हो जाता है,जो डायफ्राम को छेदते हैं और बैटरी में आंतरिक शॉर्ट सर्किट का कारण बनते हैंइसलिए अल्पाइन क्षेत्रों में इलेक्ट्रिक वाहनों के उपयोग को बढ़ावा देने के लिए LIB के निम्न तापमान प्रदर्शन में सुधार के तरीकों का बहुत महत्व है।इस पेपर में निम्न चार पहलुओं से LiFePO4 बैटरी के निम्न तापमान प्रदर्शन में सुधार के तरीकों का सारांश दिया गया है।:

1) पल्स करंट गर्मी उत्पन्न करता है;

2) उच्च गुणवत्ता वाली एसईआई फिल्म तैयार करने के लिए इलेक्ट्रोलाइट एडिटिव्स का प्रयोग करें;

3) सतह कोटिंग संशोधित LiFePO4 सामग्री की इंटरफ़ेस चालकता;

4) आयन-डोपाइड संशोधित LiFePO4 सामग्री की थोक चालकता।

1. कम तापमान वाली बैटरी का तेजी से पल्स करंट द्वारा ताप

एलआईबी की चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान इलेक्ट्रोलाइट में आयनों की गति और ध्रुवीकरण एलआईबी के अंदर गर्मी के उत्पादन को बढ़ावा देगा।इस गर्मी उत्पादन तंत्र का उपयोग कम तापमान पर LIB के प्रदर्शन में सुधार के लिए प्रभावी ढंग से किया जा सकता हैपल्स करंट एक ऐसे करंट को संदर्भित करता है जिसकी दिशा नहीं बदलती और जिसकी वर्तमान तीव्रता या वोल्टेज समय-समय पर बदलती रहती है।तेजी से और सुरक्षित रूप से कम तापमान पर बैटरी तापमान बढ़ाने के लिए, डी जोंग एट अल. ने एक सर्किट मॉडल का प्रयोग किया ताकि सैद्धांतिक रूप से सिमुलेट किया जा सके कि कैसे एक पल्स्ड करंट लिब को गर्म करता है, और वाणिज्यिक लिब के प्रयोगात्मक परीक्षण के माध्यम से सिमुलेशन परिणामों की पुष्टि की।निरंतर चार्जिंग और पल्स चार्जिंग के बीच गर्मी उत्पादन में अंतर चित्र 1 में दिखाया गया हैजैसा कि चित्र 1 से देखा जा सकता है, माइक्रोसेकंड पल्स समय लिथियम बैटरी में अधिक गर्मी उत्पादन को बढ़ावा दे सकता है।

चित्र 1 धड़ल्ले से और निरंतर चार्जिंग मोड द्वारा उत्पन्न गर्मी

झाओ एट अल. ने लाइफपीओ4/एमसीएनबी बैटरी पर पल्स करंट के उत्तेजना प्रभाव का अध्ययन किया। अध्ययन में पाया गया कि पल्स करंट उत्तेजना के बाद,बैटरी का सतह तापमान -10 °C से बढ़ाकर 3 °C किया गया, और पारंपरिक चार्जिंग मोड की तुलना में, पूरे चार्जिंग समय को 36 मिनट (23.4%) कम कर दिया गया था, इसलिए, एक ही डिस्चार्ज दर पर क्षमता में 7.1% की वृद्धि हुई,यह चार्जिंग मोड कम तापमान LiFePO4 बैटरी के तेजी से चार्ज के लिए अनुकूल है.

Zhu et al. ने LiFePO4 पावर लिथियम आयन बैटरी के कम तापमान बैटरी जीवन (स्वास्थ्य स्थिति) पर पल्स करंट हीटिंग के प्रभाव का अध्ययन किया। उन्होंने पल्स करंट आवृत्ति के प्रभावों का अध्ययन किया,बैटरी तापमान पर वर्तमान तीव्रता और वोल्टेज सीमा, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। परिणामों से पता चला है कि उच्च धारा तीव्रता, कम आवृत्ति और व्यापक वोल्टेज रेंज LIBs के गर्मी संचय और तापमान वृद्धि को बढ़ाया।240 हीटिंग चक्रों के बाद (प्रत्येक चक्र -20°C पर 1800 सेकंड के पल्स हीटिंग के बराबर है), उन्होंने बैटरी क्षमता प्रतिधारण और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा का अध्ययन करके पल्सिंग करंट हीटिंग के बाद एलआईबी की स्वास्थ्य स्थिति (एसओएच) का मूल्यांकन किया,और एसईएम और ईडीएस द्वारा बैटरी के नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह आकृति के परिवर्तन का अध्ययन कियापरिणामों से पता चला कि पल्स करंट हीटिंग से नकारात्मक इलेक्ट्रोड सतह पर लिथियम आयनों की जमाव में वृद्धि नहीं होती है।तो पल्स हीटिंग लिथियम जमाव के कारण क्षमता क्षय और लिथियम डेंड्राइट विकास के जोखिम को बढ़ा नहीं होगा.

चित्रा 2 समय के साथ बैटरी के तापमान का परिवर्तन जब लिथियम बैटरी को 30 हर्ट्ज (a) और 1 हर्ट्ज (b) की आवृत्ति के साथ विभिन्न धारा तीव्रता और वोल्टेज रेंज के साथ पल्स करंट द्वारा चार्ज किया जाता है

2. इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफेस पर चार्ज हस्तांतरण प्रतिरोध को कम करने के लिए एसईआई झिल्ली का इलेक्ट्रोलाइट संशोधन

लिथियम आयन बैटरी का निम्न तापमान प्रदर्शन बैटरी में आयन गतिशीलता से निकटता से संबंधित है,और इलेक्ट्रोड सामग्री की सतह पर SEI फिल्म लिथियम आयन गतिशीलता को प्रभावित करने वाली प्रमुख कड़ी हैलियाओ एट अल ने कार्बोनेट आधारित इलेक्ट्रोलाइट (1 मोल/एल LiPF6/EC+DMC+DEC+EMC) के प्रभाव का अध्ययन किया, जिसका वॉल्यूम अनुपात 1:1:1-20 °C से कम ऑपरेटिंग तापमान परबैटरी का विद्युत रासायनिक प्रदर्शन काफी कम हो जाता है. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) tests show that the increase in charge transfer resistance and the decrease in lithium ion diffusion capacity are the main factors for the degradation of battery performanceइसलिए, इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफेस की प्रतिक्रियाशीलता बढ़ाने के लिए इलेक्ट्रोलाइट को बदलकर LiFePO4 बैटरी के निम्न तापमान प्रदर्शन में सुधार की उम्मीद है।

चित्र 3 (a) विभिन्न तापमान पर LiFePO4 इलेक्ट्रोड के ईआईएस;

(ख) LiFePO4 EIS से लैस समकक्ष सर्किट मॉडल

एक इलेक्ट्रोलाइट प्रणाली खोजने के लिए जो प्रभावी रूप से LiFePO4 बैटरी के निम्न तापमान विद्युत रासायनिक प्रदर्शन में सुधार कर सकती है, झांग एट अल।LiFePO4 बैटरी के निम्न तापमान चक्र प्रदर्शन में सुधार के लिए इलेक्ट्रोलाइट में LiBF4-LiBOB मिश्रित नमक जोड़ने की कोशिश कीविशेष रूप से, अनुकूलित प्रदर्शन तभी प्राप्त किया गया जब मिश्रित नमक में LiBOB का मोलर अंश 10% से कम था।LiFePO4/C बैटरी के लिए इलेक्ट्रोलाइट के रूप में प्रोपीलीन कार्बोनेट (PC) में LiPF4(C2O4) ((LiFOP) को भंग किया और इसे आम तौर पर इस्तेमाल की जाने वाली LiPF6-EC इलेक्ट्रोलाइट प्रणाली से तुलना कीयह पाया गया कि जब बैटरी को कम तापमान पर चक्र किया गया तो LIB की पहली चक्र डिस्चार्ज क्षमता में काफी कमी आई।ईआईएस के आंकड़ों से पता चला है कि लिफोप/पीसी इलेक्ट्रोलाइट ने लिब के आंतरिक प्रतिबाधा को कम करके लिब के निम्न तापमान चक्र प्रदर्शन में सुधार किया है।.

लिटियम डिफ्लोरो (ओक्सालेट) बोरेट (LiODFB) इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम के दो इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन का अध्ययन किया गयाः LiODFB-DMS और LiODFB-SL/DMS,और आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले LiPF6-EC/DMC इलेक्ट्रोलाइट के साथ विद्युत रासायनिक प्रदर्शन की तुलना की, और पाया कि LiODFB-SL/DMS और LiODFB-SL/DES इलेक्ट्रोलाइट्स कम तापमान पर LiFePO4 बैटरी की चक्र स्थिरता और दर क्षमता में सुधार कर सकते हैं।ईआईएस अध्ययन में पाया गया कि लिओडीएफबी इलेक्ट्रोलाइट कम इंटरफेसियल प्रतिबाधा के साथ एसईआई फिल्म के गठन के लिए अनुकूल है, जो आयनों के प्रसार और आवेशों की गति को बढ़ावा देता है, जिससे LiFePO4 बैटरी के निम्न तापमान चक्र प्रदर्शन में सुधार होता है।एक उपयुक्त इलेक्ट्रोलाइट संरचना चार्ज हस्तांतरण प्रतिरोध को कम करने और इलेक्ट्रोड सामग्री इंटरफ़ेस पर लिथियम आयनों की प्रसार दर को बढ़ाने के लिए फायदेमंद है, इस प्रकार प्रभावी रूप से LIB के निम्न तापमान प्रदर्शन में सुधार होता है।

इलेक्ट्रोलाइट एडिटिव भी एसईआई फिल्मों की संरचना और संरचना को नियंत्रित करने के प्रभावी तरीकों में से एक हैं, जिससे एलआईबी के प्रदर्शन में सुधार होता है।कम तापमान पर LiFePO4 बैटरी की डिस्चार्ज क्षमता और दर प्रदर्शन पर FEC के प्रभाव का अध्ययन कियाअध्ययन में पाया गया कि इलेक्ट्रोलाइट में 2% FEC जोड़ने के बाद, LiFePO4 बैटरी ने कम तापमान पर अधिक डिस्चार्ज क्षमता और दर प्रदर्शन दिखाया। SEM और XPS ने SEI का गठन दिखाया,और ईआईएस परिणामों से पता चला है कि इलेक्ट्रोलाइट में एफईसी का जोड़ कम तापमान पर LiFePO4 बैटरी के प्रतिबाधा को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है, इसलिए बैटरी के प्रदर्शन में सुधार एसईआई फिल्म की आयनिक चालकता में वृद्धि और LiFePO4 इलेक्ट्रोड के ध्रुवीकरण के कारण हुआ है।एसईआई फिल्म का विश्लेषण करने के लिए एक्सपीएस का इस्तेमाल किया और संबंधित तंत्र का आगे अध्ययन किया।उन्होंने पाया कि जब FEC ने इंटरफेस फिल्म गठन में भाग लिया, तो LiPF6 और कार्बोनेट सॉल्वेंट का अपघटन कमजोर हो गया,और LixPOyFz और सॉल्वैंट अपघटन द्वारा उत्पादित कार्बोनेट पदार्थों की मात्रा में कमी आई हैइस प्रकार कम प्रतिरोध और घनी संरचना के साथ एसईआई फिल्म LiFePO4 की सतह पर बनाई जाती है। जैसा कि चित्रा 4 में दिखाया गया है, एफईसी जोड़ने के बाद,LiFePO4 के CV वक्रों से पता चलता है कि ऑक्सीकरण/कटौती के शिखर एक दूसरे के करीब हैं, यह दर्शाता है कि एफईसी के अतिरिक्त LiFePO4 इलेक्ट्रोड के ध्रुवीकरण को कम कर सकते हैं। इसलिए संशोधित एसईआई इलेक्ट्रोड/इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस पर लिथियम आयनों के प्रवास को बढ़ावा देता है,इस प्रकार LiFePO4 इलेक्ट्रोड के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन में वृद्धि.

चित्रा 4 -20°C पर 0% और 10% FEC युक्त इलेक्ट्रोलाइट्स में LiFePO4 कोशिकाओं के चक्रगत वोल्टमोग्राम

इसके अतिरिक्त, लियाओ और सहयोगियों ने यह भी पाया कि इलेक्ट्रोलाइट में ब्यूटिल सुल्तोन (बीएस) के जोड़ने का समान प्रभाव होता है, अर्थात पतली संरचना और कम प्रतिबाधा वाली एसईआई फिल्म बनती है,और एसईआई फिल्म के माध्यम से गुजरने पर लिथियम आयनों के प्रवास की दर में सुधारइसलिए, , बीएस का जोड़ कम तापमान पर LiFePO4 बैटरी की क्षमता और दर प्रदर्शन में काफी सुधार करता है।

3LiFePO4 सामग्री के सतह प्रतिरोध को कम करने के लिए सतह कोटिंग प्रवाहकीय परत

One of the important reasons for the degradation of lithium battery performance in low temperature environment is the increase of impedance at the electrode interface and the decrease of ion diffusion rateLiFePO4 सतह कोटिंग प्रवाहकीय परत प्रभावी ढंग से इलेक्ट्रोड सामग्री के बीच संपर्क प्रतिरोध को कम कर सकती है,इस प्रकार कम तापमान पर LiFePO4 में आयनों के प्रसार की दर में सुधारजैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है, वू एट अल ने दो कार्बोनेटेड सामग्री (अमॉर्फ कार्बन और कार्बन नैनोट्यूब) का उपयोग LiFePO4 (LFP@C/CNT) को कोटिंग करने के लिए किया।और संशोधित एलएफपी@सी/सीएनटी ने उत्कृष्ट निम्न तापमान प्रदर्शन किया-25°C पर डिस्चार्ज होने पर क्षमता प्रतिधारण दर लगभग 71.4% है। ईआईएस विश्लेषण से पता चला है कि प्रदर्शन में यह सुधार मुख्य रूप से LiFePO4 इलेक्ट्रोड सामग्री के कम प्रतिबाधा के कारण है।.

चित्रा 5 एचआरटीईएम छवि (ए), संरचनात्मक आरेख (बी) और एसईएम छवि एलएफपी@सी/सीएनटी नैनोकॉम्पोसिट

कई कोटिंग सामग्रियों में धातु या धातु ऑक्साइड नैनोकणों ने अपनी उत्कृष्ट विद्युत चालकता और सरल तैयारी विधि के कारण कई शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित किया है।याओ एट अलप्रयोग में CeO2 कणों को LiFePO4 की सतह पर समान रूप से वितरित किया गया।गतिशीलता में काफी सुधार हुआ है, जो इलेक्ट्रोड सामग्री और वर्तमान कलेक्टर के साथ-साथ कणों के बीच संपर्क में सुधार के लिए जिम्मेदार है,साथ ही LiFePO4-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस में बढ़ी हुई चार्ज ट्रांसफर, जो इलेक्ट्रोड ध्रुवीकरण को कम करता है।

इसी प्रकार, जिन एट अल ने लाइफपीओ4 की सतह को कोटिंग करने के लिए वी2ओ3 की अच्छी विद्युत चालकता का लाभ उठाया और कोटेड नमूनों के विद्युत रासायनिक गुणों का परीक्षण किया।लिथियम आयनों के अध्ययन से पता चलता है कि अच्छी चालकता के साथ V2O3 परत महत्वपूर्ण रूप से LiFePO4 इलेक्ट्रोड में लिथियम आयन परिवहन को बढ़ावा दे सकते हैं, और इस प्रकार V2O3 संशोधित LiFePO4/C बैटरी कम तापमान वातावरण में उत्कृष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन प्रदर्शित करती है, जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है।

चित्रा 6 निम्न तापमान पर विभिन्न V2O3 सामग्री के साथ लेपित LiFePO4 का चक्र प्रदर्शन

Lin et al. एक सरल इलेक्ट्रोडेपोजिशन (ED) प्रक्रिया द्वारा LiFePO4 सामग्री की सतह पर लेपित Sn नैनोकण,और व्यवस्थित रूप से LiFePO4/C कोशिकाओं के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन पर Sn कोटिंग के प्रभाव का अध्ययन कियाएसईएम और ईआईएस विश्लेषणों से पता चलता है कि Sn कोटिंग LiFePO4 कणों के बीच संपर्क में सुधार करती है और कम तापमान पर सामग्री में कम चार्ज ट्रांसफर प्रतिरोध और उच्च लिथियम प्रसार दर होती है।इसलिए, Sn कोटिंग कम तापमान पर LiFePO4/C बैटरी की विशिष्ट क्षमता, चक्र प्रदर्शन और दर प्रदर्शन में सुधार करती है

इसके अतिरिक्त, तांग एट अल ने एल्यूमीनियम-डोप्ड जिंक ऑक्साइड (एजेओ) का उपयोग लाइफपीओ4 इलेक्ट्रोड सामग्री की सतह को कोटिंग करने के लिए एक प्रवाहकीय सामग्री के रूप में किया।विद्युत रासायनिक परीक्षण के परिणामों से पता चलता है कि AZO कोटिंग भी काफी LiFePO4 की दर क्षमता और कम तापमान प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं, जो चालक एजेओ कोटिंग के कारण है जो लाइफपीओ4 सामग्री की विद्युत चालकता को बढ़ाता है।

चौथा, थोक डोपिंग LiFePO4 इलेक्ट्रोड सामग्री के थोक प्रतिरोध को कम करता है

आयन डोपिंग LiFePO4 ओलिविन जाली संरचना में रिक्त स्थान बना सकता है जो सामग्री में लिथियम आयनों की प्रसार दर को बढ़ावा देता है,इस प्रकार LiFePO4 बैटरी की विद्युत रासायनिक गतिविधि को बढ़ाता है. झांग एट अल. सिंथेटिक लैंथेनम और मैग्नीशियम ली 0.99La0.01Fe0.9Mg0.1PO4/ग्राफाइट एरोजेल कम्पोजिट इलेक्ट्रोड सामग्री को सॉल्यूशन इम्प्रेनेशन प्रक्रिया द्वारा,जो कम तापमान पर उत्कृष्ट विद्युत रासायनिक प्रदर्शन दिखाया, and the results of electrochemical impedance experiments It is shown that this superiority is mainly attributed to the enhanced electronic conductivity of the material by ion doping and graphite aerogel coating.

हुआंग एट अल. ने एक साधारण ठोस अवस्था प्रतिक्रिया द्वारा Mg और F सह-डोपाइड LiFe0.92Mg0.08(PO4) 0.99F0.03 इलेक्ट्रोड सामग्री तैयार की।संरचना और आकृति विज्ञान विशेषता के परिणामों से पता चला कि Mg और F को समान रूप से LiFePO4 क्रिस्टल में डोप किया जा सकता हैगैर आयन-डोपाइड LiFePO4 सामग्री और Mg या F एकल-डोपाइड LiFePO4 सामग्री की तुलना में,कम तापमान पर सह-डोपाइज्ड LiFePO4 में सबसे अच्छा विद्युत रासायनिक प्रदर्शन होता हैईआईएस के परिणामों से पता चलता है कि एमजी और एफ के सह-डोपिंग से इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण दर और आयन प्रवाह दर बढ़ जाती है।कारणों में से एक यह है कि Mg-O बंधन की लंबाई Fe-O बंधन की तुलना में कम है, जिससे लिथियम आयन प्रसार चैनल का विस्तार होता है और LiFePO4 आयनिक चालकता में सुधार होता है।

वांग एट अल. ने तरल-चरण वर्षा द्वारा समारियम-डोप्ड LiFe1-xSmxPO4/C कम्पोजिटों का संश्लेषण किया।परिणामों से पता चलता है कि Sm3+ आयन डोपिंग की एक छोटी मात्रा ध्रुवीकरण overpotential और प्रभार हस्तांतरण प्रतिरोध को कम कर सकते हैं, जिससे LiFePO4 के निम्न तापमान विद्युत रासायनिक प्रदर्शन में सुधार होता है।अध्ययन में पाया गया कि Ti3SiC2 डोपिंग प्रभावी रूप से कम तापमान पर LiFePO4 इलेक्ट्रोड सामग्री के इंटरफ़ेस पर लिथियम आयनों के हस्तांतरण दर में सुधार कर सकता हैइसलिए, Ti3SiC2-डोप्ड LiFePO4 कम तापमान पर उत्कृष्ट प्रदर्शन दिखाता है।Li3V2(PO4) 3 डोप्ड LiFePO4 इलेक्ट्रोड सामग्री (LFP-LVP) को Ma et al द्वारा तैयार किया गया था।ईआईएस के परिणामों से पता चला कि एलएफपी-एलवीपी इलेक्ट्रोड सामग्री में चार्ज ट्रांसफर प्रतिरोध कम था।और चार्ज ट्रांसफर के त्वरण ने LiFePO4/C बैटरी के निम्न तापमान विद्युत प्रदर्शन में सुधार किया. रासायनिक गुणों.