تأثير محتوى VC في الإلكتروليت على فوسفات الحديد الليثيوم

تتمتع كربونات الفينيلين (VC) بقدرة ممتازة على التكيف مع درجات الحرارة العالية والمنخفضة. يمكن أن تساعد إضافة VC إلى المنحل بالكهرباء في تكوين طبقة SEI أكثر استقرارًا على سطح الأنود في بطاريات الليثيوم. ولذلك، فإن محتوى VC له تأثير كبير على أداء بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO₄). تدرس هذه الورقة تأثير محتوى VC على الأداء الكهروكيميائي لبطاريات LiFePO₄ تحت -ظروف درجات الحرارة المنخفضة. تُستخدم بطاريات LiFePO₄ على نطاق واسع في مركبات الطاقة الجديدة وأنظمة تخزين الطاقة نظرًا لسلامتها العالية ودورتها الطويلة في الحياة وملاءمتها للبيئة والتكلفة المنخفضة نسبيًا. ومع ذلك، فإنها تواجه مشكلات مثل اضمحلال قدرة التفريغ وانخفاض الاحتفاظ بالطاقة عند درجات حرارة منخفضة (خاصة أقل من -20 درجة)، مما يحد من استخدامها في المناطق الباردة. لمعالجة هذه المشكلة، غالبًا ما تتم إضافة إضافات وظيفية مثل VC إلى المنحل بالكهرباء لتحسين التوصيل الأيوني في درجات الحرارة المنخفضة، وقمع التفاعلات الجانبية، وتحقيق استقرار واجهة القطب الكهربائي، وبالتالي تحسين أداء البطارية في درجات الحرارة المنخفضة.

في هذه الدراسة، تم تحضير أربعة أنواع من إلكتروليتات بطارية LiFePO₄ بمحتويات مختلفة من VC (3.0%، 3.2%، 3.5%، 3.8%) وتجميعها في خلايا كيسية. يستخدم الكاثود LiFePO₄، ويستخدم الأنود الجرافيت الاصطناعي. تم تحضير جميع البطاريات تحت نفس ظروف العملية وخضعت للتشكيل وتشتت السعة. تم إجراء الاختبارات الكهروكيميائية على كل مجموعة من البطاريات عند درجة -30 لمقارنة مؤشرات الأداء الرئيسية بشكل منهجي مثل قدرة التفريغ في درجات الحرارة المنخفضة، ومقاومة التيار المباشر (DCR)، وكفاءة الطاقة، وعمر الدورة.

1. انخفاض-سعة التفريغ في درجة الحرارة

من خلال اختبار منحنيات السيرة الذاتية للبطارية في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة-وحساب سعة البطارية من المنطقة المتكاملة لمنحنيات السيرة الذاتية.

عندما يكون محتوى VC 3.5%، تظهر البطارية أعلى قدرة تفريغ عند -30 درجة (5.6 Ah)، وهي أفضل بكثير من المجموعات الأخرى (3.0%، 3.2%، و3.8% تتوافق مع 4.6 Ah، و5.0 Ah، و5.0 Ah، على التوالي). يمكن لكمية مناسبة من VC خفض نقطة تجمد المنحل بالكهرباء، وزيادة حركة الأيونات، وقمع تبلور المذيبات، وبالتالي تحسين أداء التفريغ في درجات الحرارة المنخفضة.

2. مقاومة التيار المباشر (DCR)

تُظهر اختبارات DCR للبطارية أنه عندما يكون محتوى VC 3.5%، يكون DCR في أدنى مستوياته (0.76 mΩ)، مما يشير إلى انخفاض المقاومة البينية وكفاءة نقل أيونات الليثيوم - الأعلى. يؤدي المحتوى الزائد من VC (على سبيل المثال، 3.8%) إلى زيادة في DCR، مما يشير إلى أن الكثير من VC قد يزيد من مقاومة التفاعل السطحي.

3. انخفاض-كفاءة الطاقة في درجات الحرارة

عندما يكون محتوى VC 3.5%، تظهر البطارية أعلى كفاءة للطاقة عند -30 درجة (82.0%)، متجاوزة المجموعات الأخرى (72.5%~79.0%). ويعزى ذلك إلى تشجيع VC على تكوين فيلم SEI مستقر، مما يقلل من خسائر الاستقطاب، ويعزز كفاءة تحويل الطاقة.

4. دورة الحياة

بعد 300 دورة، تُظهر البطارية التي تحتوي على محتوى VC بنسبة 3.5% أعلى قدرة على الاحتفاظ (97.5%)، متفوقة على المجموعات الأخرى (90.0%~96.1%). يمكن لـ VC إصلاح عيوب طبقة SEI ديناميكيًا أثناء ركوب الدراجات، ومنع تحلل الإلكتروليت وتوليد الغاز، وبالتالي إطالة عمر دورة البطارية في درجات حرارة منخفضة.

آسي-BA3040-20معدات اختبار دورة البطاريةيتم استخدامه لاختبار العمر الافتراضي والموثوقية والسعة والمعلمات الأخرى لحزمة البطارية من خلال اختبار الشحن والتفريغ الدوري.

• يقلل VC بشكل تفضيلي على سطح أنود الجرافيت قبل جزيئات المذيب أثناء عملية الشحن والتفريغ الأولية، مما يشكل طبقة SEI كثيفة غنية بالمكونات غير العضوية مثل Li₂CO₃. يحتوي هذا الفيلم على معامل انتشار أيون الليثيوم- مرتفع نسبيًا.

• يمكن لكمية مناسبة من VC تحسين بنية الذوبان في المنحل بالكهرباء، وتقليل اللزوجة، وتحسين التوصيل الأيوني عند درجات الحرارة المنخفضة.

• قد يؤدي VC المفرط إلى طبقة SEI سميكة للغاية أو زيادة المعاوقة، وهو ما يضر في الواقع بتحسين الأداء.

على الرغم من أن المقالة أجرت تجارب تقارن كميات مختلفة من VC وأجرت اختبارات معينة، لتحديد محتوى VC الأمثل في هذه التجربة، إلا أنها لم تتضمن مجموعة مراقبة بدون VC. ولذلك، لا يمكن استنتاج أن إضافة VC يؤدي بالضرورة إلى تحسين أداء البطارية.