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Portuguese 3 Top-Durchbrüche bei Niedertemperatur-Lithiumbatterien
Inhaltsverzeichnis
Einführung in die Anforderungen an Niedertemperatur-Lithiumbatterien
Mit dem rasanten technologischen Fortschritt wird der Bedarf an Niedertemperatur- und Ultratieftemperatur-Lithiumbatterien in rauen Umgebungen wie Hochplateaus, Tiefsee, Polarregionen und extrem kalten Gebieten wie dem Weltraum immer größer. Herkömmliche Lithiumbatterien sind für die Energiespeicherung und -abgabe unter diesen extremen Temperaturbedingungen nicht ausreichend.
Das Auslaufen der Subventionen für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben und der beschleunigte Bau von 5G-Basisstationen durch große Telekommunikationsbetreiber haben die Nachfrage nach kostengünstigen, niedrigtemperaturbeständigen Lithium-Ionen-Batterien deutlich erhöht. Im Jahr 2021 erreichten die installierten Strombatterien für Privathaushalte 159,6 GWh. In nördlichen Regionen mit extremen Winterbedingungen ist die Reichweite von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben jedoch stark eingeschränkt. Daher entwickeln sich Niedertemperatur-Lithiumbatterien Die Eignung für kalte Umgebungen ist entscheidend. Für 5G-Basisstationen haben Niedertemperatur-Lithium-Eisenphosphat-Batterien in der Branche Anerkennung als entscheidenden Wettbewerbsvorteil erlangt, da die Branche unweigerlich von Blei-Säure-Batterien auf Lithium-Eisenphosphat-Batterien für die Notstromversorgung von Kommunikationssignaltürmen umsteigt.
Die Temperatur beeinflusst den Massen- und Ladungstransfer in Lithium-Ionen-Batterien während des Ladens und Entladens. Bei niedrigen Temperaturen ist die verlangsamte Kinetik der Lithium-Ionen der wichtigste Faktor für ihre elektrochemische Leistung. Die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten nimmt ab, wodurch die Solvatation/Desolvatation der Lithium-Ionen schwieriger wird und die Migrationsrate der Lithium-Ionen innerhalb des aktiven Elektrodenmaterials und an der Fest-Flüssig-Grenzfläche deutlich reduziert wird. Diese Faktoren führen zu einer starken Verschlechterung der Batterieleistung. Zudem neigt die Anodenoberfläche zu Lithiumplattierung und Dendritenwachstum, was zu Batterieausfällen und Sicherheitsrisiken führt. Um diese Probleme zu lösen, haben Forscher die Leistung von Lithium-Batterien bei niedrigen Temperaturen verbessert, indem sie Kathoden- und Anodenmaterialien modifiziert, Elektrolytkomponenten und Lösungsmittelstrukturen angepasst und effektive Batterie-Wärmemanagementsysteme (BTMS) entwickelt haben, um sie für raue Niedrigtemperaturumgebungen geeignet zu machen.
Aktueller Forschungsstand zu Niedertemperatur-Lithiumbatterien
1.1 Modifizierung von Kathodenmaterialien
Bei niedrigen Temperaturen sind die Hauptgründe für die verringerte Kapazität von Kathodenmaterialien eine geringere Elektronenleitfähigkeit, verringerte Lithiumionenmigrationsraten und eine langsamere Interkalations-/Deinterkalationskinetik von Lithiumionen im Vergleich zu Raumtemperatur. Die Lithiumionenleistung bei niedrigen Temperaturen kann durch die Modifizierung von Kathodenmaterialien deutlich gesteigert werden. Dazu gehören Strategien wie Ionendotierung im Volumen oder an der Oberfläche zur Verbesserung der Lithiumionenmigrationsrate oder Elektronenleitfähigkeit, der Einsatz von Kohlenstoffnanomaterialien zur Bildung mehrdimensionaler leitfähiger Strukturen, die Modifizierung mit Ionenleitern zur Erhöhung der Elektronen- und Ionenleitfähigkeit und die Optimierung der Kristallstruktur zur Verkürzung der internen Diffusionsdistanz von Lithiumionen und damit zur Verbesserung der Kinetik der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen.
1.2 Modifizierung von Anodenmaterialien
Bei niedrigen Temperaturen verringern sich die Lithiumionenmigrationsraten in Anodenmaterialien. Dies erschwert die Desolvatisierung von Lithiumionen, erhöht die elektrochemische Transferimpedanz und verringert die Interkalationskapazität von Lithiumionen, was zur Elektrodenpolarisation führt. Das nicht interkalierte Lithium neigt zur Ablagerung an der Anode, was das Lithiumdendritenwachstum, die Verdickung des SEI-Films und das Austrocknen des Elektrolyten weiter beschleunigt und letztendlich die Kapazität und Zyklenleistung der Lithium-Ionen-Batterie verringert. Als Anodenmaterial wird hauptsächlich Graphit verwendet, aber auch Materialien mit hohem Ladeplateau und hoher Ladeschlussspannung wie Li4Ti5O12 und Hartkohlenstoff werden eingesetzt, um die Lithiumablagerung bei niedrigen Temperaturen zu vermeiden. Forscher verbessern die Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien vor allem durch Dotierung, die Herstellung von Nanokompositelektroden (einschließlich der Zugabe von Nanokohlenstoffmaterialien, kohlenstoffbeschichteten Nanomaterialien und anderen Nanokompositelektroden), die Modifizierung von Graphitelektroden und die Entwicklung neuer Anodenmaterialien.
1.3 Elektrolytzusammensetzung und Anpassung der Lösungsmittelstruktur
Der Elektrolyt beeinflusst die Lithium-Ionen-Mobilität und ist an der Bildung des Festkörperelektrolyt-Grenzflächenfilms (SEI) beteiligt, der für die elektrochemische Leistung einer Batterie bei niedrigen Temperaturen entscheidend ist. Viskosität und Solvatationsgrad beeinflussen die Lithium-Ionen-Mobilität erheblich. Elektrolyte in Niedertemperatur-Lithiumbatterien sollten eine hohe Ionenleitfähigkeit und niedrige Viskosität besitzen und gleichzeitig die notwendige Tieftemperaturstabilität aufweisen. Zyklische Carbonate wie Ethylencarbonat (EC) sind für die Bildung einer stabilen SEI-Schicht vorteilhaft, haben jedoch eine höhere Viskosität und höhere Schmelzpunkte. Die Zugabe von linearen Carbonaten, Estern oder Ethern mit niedrigerer Viskosität und niedrigeren Schmelzpunkten durch eine Co-Lösungsmittelstrategie hilft, den Elektrolyten bei niedrigen Temperaturen in flüssigem Zustand zu halten. Allerdings ist es wichtig, den reduzierten Flammpunkt der Elektrolyte nach der Zugabe von linearen Carbonaten mit niedriger Viskosität auszugleichen, um die thermische Stabilität sicherzustellen. Trotz geringerer Ionenleitfähigkeit und höherer Viskosität werden hochkonzentrierte Elektrolyte aufgrund ihrer geringeren Ladungstransferimpedanz, besseren Ratenleistung und verbesserten Tieftemperaturtauglichkeit bevorzugt.
2. Forschung und Entwicklung neuer Niedertemperatur-Lithiumbatteriesysteme
Während bei der Verbesserung der Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien einige Fortschritte erzielt wurden, ist die innovative Forschung zu neuen Niedertemperatur-Lithiumbatteriesystemen vergleichsweise spärlich. Superionische Leiter, bekannt für ihre hervorragende Ionenleitfähigkeit, können die Lithium-Ionen-Migrationsrate effektiv verbessern und bieten neue Perspektiven für die Verbesserung der Niedertemperaturleistung von Lithiumbatterien.
Im Jahr 2011 entwickelte die japanische Kamaya-Forschungsgruppe einen neuartigen anorganischen Sulfid-Superionenleiter namens Li10GeP2S12, der sich durch eine extrem hohe Leitfähigkeit auszeichnet. Mit einer Zersetzungsspannung von über 5 V und einer Lithium-Ionen-Leitfähigkeit von 12 mS/cm bei Raumtemperatur (27 °C) kann er mit herkömmlichen organischen Flüssigelektrolyten konkurrieren oder diese sogar übertreffen. Bemerkenswerterweise kann seine Ionenleitfähigkeit selbst bei -40 °C 0,41 mS/cm erreichen und weist damit die beste Leitfähigkeit unter verschiedenen Superionenleitern auf, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, wo seine Leistung die organischer Elektrolyte deutlich übertrifft.
