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Prueba de baja temperatura para baterías de iones de litio de vehículos eléctricos

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Prueba de baja temperatura para baterías de iones de litio de vehículos eléctricos

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Las baterías de iones de litio se han utilizado ampliamente en el campo de los vehículos eléctricos debido a su alto voltaje, su elevada energía específica y su buen rendimiento cíclico.

1 Prueba

Tomando como ejemplo una batería de iones de litio con una capacidad nominal de 70 Ah para vehículos eléctricos, se realizaron una prueba de capacidad a temperatura ambiente (20 ℃) y otra a baja temperatura (-20 ℃) para comparar el impacto de la temperatura en la capacidad de las baterías de iones de litio. La batería de iones de litio tiene una tensión de corte de carga de 36 V y una tensión de corte de descarga de 2,0 V. A continuación, se realizan pruebas de capacidad de descarga en entornos de 20 ℃ y -20 ℃, y la prueba finaliza cuando la tensión de corte de descarga es de 2,0V.

2 Principales factores que afectan a la capacidad a baja temperatura

El rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio se ve afectado principalmente por los tipos de electrolitos, materiales de los electrodos positivo y negativo, etc. El rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio también varía en función del tipo de electrolito y de los materiales de los electrodos positivo y negativo. En condiciones de baja temperatura, la solidificación de algunos disolventes en el electrolito de la batería dificulta la migración de iones y disminuye la conductividad; aumenta la resistencia a la transferencia de iones de litio en los materiales de los electrodos; la difusión del litio y la transferencia de carga entre la interfaz del electrodo y el electrolito son más lentas, y empeoran la humectabilidad del electrolito con respecto al separador y la penetración de iones de litio en el separador.

2.1 La influencia del electrolito

La influencia del electrolito es un componente importante de las baterías de iones de litio. La transferencia iónica entre los electrodos positivo y negativo dentro de la batería se realiza generalmente utilizando una mezcla de disolventes orgánicos no acuosos disueltos en sales de litio. Los disolventes orgánicos como el carbonato de etileno (EC), el carbonato de propileno (PC), el carbonato de dimetilo (DMC), el carbonato de dietilo (DEC) y el carbonato de metilo y etilo (EMC) se utilizan actualmente de forma generalizada en los electrolitos de las baterías de iones de litio. El impacto de los electrolitos en el rendimiento a baja temperatura se refleja principalmente en sus efectos sobre la conductividad y las propiedades de la película de la interfaz sólido-electrolito (SEI).

1) Conductividad.

La conductividad es un parámetro importante para medir el rendimiento de los electrolitos, y una mayor conductividad es una condición necesaria para conseguir un buen rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio. Desde la perspectiva de los disolventes orgánicos, los principales factores que afectan a la conductividad son la constante dieléctrica y la viscosidad del disolvente. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del disolvente, más débil será la fuerza electrostática entre los iones de litio y los aniones, y más fácil será que las sales de litio se descompongan y aumente el número de iones libres.

La viscosidad de los disolventes afecta principalmente a la movilidad de los iones libres. A mayor viscosidad, menor movilidad y menor conductividad. A la inversa, ocurre lo contrario. A medida que disminuye la temperatura, la constante dieléctrica del disolvente reducirá la fuerza de interacción entre los iones de litio y los aniones, y aumentará la dificultad de descomposición de la sal de litio. Al disminuir la temperatura, aumenta la viscosidad del electrolito y disminuye la velocidad de migración de los iones. Esto reducirá la conductividad de la batería y afectará a la capacidad de las baterías de iones de litio.

2) Membrana SEI.

La composición del electrolito no sólo determina su conductividad iónica, sino que también afecta a la formación de películas SEI (fase sólida del electrolito). El rendimiento de las membranas SEI tiene un impacto significativo en la capacidad irreversible, el rendimiento a baja temperatura, el rendimiento de los ciclos y el rendimiento de seguridad de las baterías. Una película SEI excelente debe tener una insolubilidad de disolvente orgánico que permita a los iones de litio incrustarse o desprenderse libremente del electrodo, mientras que las moléculas de disolvente no pueden penetrar, evitando así que las moléculas de disolvente dañen el electrodo y mejorando su vida útil en ciclos.

Las investigaciones han descubierto que la resistencia de la película SEI es mucho mayor que la resistencia del electrolito y que, a medida que disminuye la temperatura, aumenta la resistencia de la película SEI, lo que se corresponde con el rápido deterioro del rendimiento de la batería. Se puede añadir una cantidad adecuada de aditivos formadores de película al electrolito de las baterías de iones de litio para reducir la resistencia de la película SEI, mejorar el rendimiento de la película SEI y, de este modo, mejorar el rendimiento de la batería a bajas temperaturas.

2.2 Efecto del tamaño de las partículas de los materiales de los electrodos

En condiciones de baja temperatura, la disminución de la tensión de descarga de la batería indica un aumento de la polarización de las capas interna y externa de las partículas positivas y negativas del electrodo, es decir, un aumento de la impedancia de transmisión de las partículas sólidas positivas y negativas del electrodo de iones de litio, lo que provoca que se alcance prematuramente la tensión de terminación de la descarga durante el proceso de descarga y la correspondiente disminución de la capacidad de descarga.

La investigación ha descubierto que, en condiciones de baja temperatura, los electrodos de grafito totalmente cargados pueden liberar con relativa facilidad los iones de litio incrustados por debajo de -20 ℃. Sin embargo, a la misma temperatura, la incrustación de iones de litio en electrodos de grafito totalmente descargados encuentra serios obstáculos. Si se reduce el tamaño de las partículas del material del electrodo, mejorará considerablemente el rendimiento de la batería a bajas temperaturas.

2.3 Optimización y mejora de los materiales del electrolito y el electrodo

Llevamos a cabo un análisis y una investigación en profundidad de las fórmulas y los procesos del electrolito y los materiales del electrodo para los productos no cualificados de capacidad a baja temperatura de 70 Ah mencionados anteriormente. El electrolito del producto se ajustó del disolvente electrolítico ternario compuesto de EC, DMC y DEC a un disolvente electrolítico cuaternario compuesto de EC, PC, DMC y DEC.

Los tipos de sales de litio y aditivos se mantuvieron sin cambios, pero se ajustó la proporción para mejorar el proceso de fabricación de los materiales de electrodo. El electrolito ha sido sometido a docenas de ajustes proporcionales y experimentos para hacer más pequeñas las partículas del material de electrodo.

La batería mejorada tiene una tensión de arranque de descarga de 3,293 V y una tensión de corte de descarga de 2,0 V a 20 ℃. La capacidad de descarga de 74,6 Ah es el 106,6% de la capacidad nominal, lo que cumple los requisitos de la norma. La capacidad de descarga a 20 ℃ está entre el 100% y el 110% de la capacidad nominal; Bajo la condición de -20 ℃, la tensión de arranque de descarga es de 3,189V, y la tensión de corte de descarga es de 2,0V. La capacidad de descarga es de 56,1 Ah, que es el 80,1% de la capacidad nominal. La capacidad de descarga a -20 ℃ que cumple los requisitos de la norma no es inferior al 70% de la capacidad nominal (49,0Ah)

3 Conclusiones

En condiciones de baja temperatura, el rendimiento de descarga de las baterías de iones de litio se deteriora. La tensión de descarga disminuye y la capacidad de descarga se reduce significativamente. Debido a sus características de baja temperatura, las baterías mencionadas suponen un obstáculo importante para la popularización y el desarrollo de vehículos eléctricos en zonas de baja temperatura. Por lo tanto, una mejora significativa del rendimiento a baja temperatura de las baterías favorece el desarrollo de los vehículos eléctricos y también promueve el proceso de aplicación de las baterías de iones de litio en los ámbitos militar, aeroespacial y otros.