Verbesserung der Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte, Leistungsdichte, langen Lebensdauer und Umweltfreundlichkeit weitreichend in Verbraucherelektronik, Elektrofahrzeugen und Energiespeichern eingesetzt. Sie stehen jedoch vor Herausforderungen, insbesondere unter Niedertemperaturbedingungen, wo die Energiedichte abnimmt und die Lebensdauer beeinträchtigt wird, was ihre weit verbreitete Nutzung einschränkt.

Forscher debattieren über die Hauptfaktoren, die die schlechte Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen, aber drei Schlüsselfaktoren stechen heraus:

1. Zunahme der Viskosität und Abnahme der Leitfähigkeit des Elektrolyten bei niedrigen Temperaturen.
2. Zunahme der Grenzflächen- und Ladungsübertragungswiderstände an der Elektrolyt-/Elektroden-Grenzfläche.
3. Verringerte Wanderungsrate von Lithiumionen innerhalb des aktiven Materials, was die Elektrodenpolarisation verschärft und die Lade-/Entladekapazität verringert.

Während des Niedertemperatur-Ladens tritt insbesondere bei hohen Raten Lithiummetall-Abscheidung an der negativen Elektrode auf, was zu irreversiblen Reaktionen mit dem Elektrolyten und einer Verdickung der soliden Elektrolytschicht (SEI) führt. Dies erhöht den Elektrodenwiderstand, verschärft die Polarisation und beeinträchtigt die Batterieleistung, die Lebensdauer und die Sicherheit.

Positive Elektrodenmaterialien

Positive Elektrodenmaterialien spielen eine entscheidende Rolle für die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien. Ihre Struktur beeinflusst maßgeblich die Niedertemperaturleistung.

• LiFePO4 (LFP): Obwohl LFP eine hohe Entladekapazität, Stabilität und eine ausgezeichnete Zyklenfestigkeit bietet, behindern die eindimensionalen Ionenkanäle die Lithiumionen-Diffusion, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, was zu einer schlechten Niedertemperaturleistung führt.

• Nickel-Kobalt-Mangan (NCM): NCM, mit seiner geschichteten α-NaFeO2-Struktur, zeigt eine hohe reversible Kapazität, gute Zyklenstabilität und moderate Kosten. Probleme wie niedrige elektronische Leitfähigkeit und schlechte Hochrateneigenschaften verschlechtern sich bei niedrigen Temperaturen mit zunehmendem Nickelgehalt.

• Lithiumreiche Manganbasierte Materialien: Diese Materialien versprechen eine höhere Entladekapazität, leiden jedoch unter hoher irreversibler Kapazität, Phasenübergängen und schlechter Ion- und Elektronenleitfähigkeit, was sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Niedertemperaturleistung beeinträchtigt.

Um die Niedertemperaturleistung zu verbessern:

1. Oberflächenbeschichtung: Beschichtung der aktiven Materialien mit leitfähigen Substanzen verbessert die Grenzflächenleitfähigkeit, verringert den Widerstand und stabilisiert die Materialstruktur. Studien haben vielversprechende Ergebnisse mit kohlebeschichtetem LFP und Verbundmaterialien mit schnellen Ionenleitern gezeigt.

2. Element-Dotierung: Dotierung mit Elementen wie Mn, Al, Cr, Mg und F erhöht den Zwischenschichtabstand, erleichtert die Li+-Diffusion und verbessert die Batterieleistung bei niedrigen Temperaturen.

3. Partikelgrößenreduzierung: Kleinere Partikelgrößen verkürzen die Li+-Wanderungspfade und verbessern die Niedertemperaturleistung. Dies erhöht jedoch die Oberfläche und Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten.

Das Verständnis und die Bewältigung dieser Faktoren sind entscheidend für die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie, insbesondere in anspruchsvollen Niedertemperaturanwendungen.