استفاده از باتری های لیتیوم یون در محیط های با دمای پایین محدود است، زیرا ظرفیت تخلیه آنها به شدت کاهش می یابد و نمی توان آنها را در دمای پایین شارژ کرد. در طول شارژ در دمای پایین، قرار دادن یون های لیتیوم روی الکترود گرافیتی باتری و واکنش آبکاری لیتیوم همزیستی دارند و با یکدیگر رقابت می کنند. در شرایط دمای پایین، انتشار یونهای لیتیوم در گرافیت مهار میشود و رسانایی الکترولیت کاهش مییابد که منجر به کاهش سرعت درج میشود. در سطح گرافیت، واکنش آبکاری لیتیوم احتمال بیشتری دارد.
تحقیقات نشان داده است که باتری با ظرفیت 3500 میلی آمپر ساعت، اگر در محیطی با درجه -10 درجه کار کند، پس از کمتر از 100 چرخه شارژ و دشارژ، کاهش شدید ظرفیت باتری تا 500 میلی آمپر ساعت را تجربه می کند و اساساً از بین می رود. یعنی در یک محیط کار درجه -10، اگر خودروی برقی روزی یک بار شارژ و دشارژ شود، بعد از سه ماه باید باتری آن را اسقاط کرده و با باتری نو تعویض کرد.
دلایلی که بر عملکرد باتری های لیتیوم آهن فسفات در دمای پایین تأثیر می گذارد:
1. ساختار الکترود مثبت
ساختار سه بعدی ماده الکترود مثبت، سرعت انتشار باتریهای لیتیوم آهن فسفات را به ویژه در دماهای پایین محدود میکند. مواد الکترود مثبت مختلف ساختار سه بعدی متفاوتی دارند. در حال حاضر، مواد الکترود مثبت مهم مورد استفاده در باتریهای لیتیوم یونی برای وسایل نقلیه الکتریکی عبارتند از: فسفات آهن لیتیوم، مواد سه تایی نیکل کبالت منگنز و اکسید لیتیوم منگنز. ظرفیت تخلیه باتری های لیتیوم آهن فسفات تنها می تواند به 67.38٪ ظرفیت دمای اتاق در -20 درجه برسد، در حالی که باتری های سه تایی نیکل کبالت منگنز می تواند به 70.1٪ برسد.
2. حلال نقطه ذوب بالا
به دلیل وجود حلال های با نقطه ذوب بالا در حلال مخلوط الکترولیت، ویسکوزیته الکترولیت باتری لیتیوم یون در دماهای پایین افزایش می یابد. هنگامی که دما خیلی پایین است، انجماد الکترولیت رخ می دهد که منجر به کاهش سرعت انتقال یون های لیتیوم در الکترولیت می شود.
3. سرعت انتشار یون لیتیوم
سرعت انتشار یون های لیتیوم در الکترودهای منفی گرافیت در شرایط دمای پایین کاهش می یابد. افزایش امپدانس انتقال شارژ باتریهای لیتیوم یونی در محیطهای با دمای پایین منجر به کاهش نرخ انتشار یونهای لیتیوم در الکترود منفی گرافیت میشود که دلیل مهمی بر عملکرد باتریهای لیتیوم آهن فسفات در دمای پایین است.
4. غشاء SEI
در محیطهای با دمای پایین، فیلم SEI روی الکترود منفی باتریهای لیتیوم آهن فسفات ضخیم میشود و امپدانس فیلم SEI افزایش مییابد که منجر به کاهش سرعت هدایت یونهای لیتیوم در فیلم SEI میشود. در نهایت، پلاریزاسیون ایجاد شده در هنگام شارژ و دشارژ در محیط های با دمای پایین باعث کاهش راندمان شارژ و دشارژ می شود.
5. محیط تولید
باتریهای فسفات آهن لیتیوم به عنوان یک محصول با تکنولوژی بالا با مواد خام شیمیایی متعدد و فرآیندهای پیچیده، نیازهای بالایی به دما، رطوبت، گرد و غبار و سایر عوامل در محیط تولید خود دارند. اگر به درستی کنترل نشود، کیفیت باتری نوسان خواهد داشت.
خلاصه: در حال حاضر، عوامل متعددی بر عملکرد باتریهای لیتیوم آهن فسفات در دمای پایین تأثیر میگذارند، مانند ساختار الکترود مثبت، نرخ مهاجرت یونهای لیتیوم در بخشهای مختلف باتری، ضخامت و ترکیب شیمیایی فیلم SEI، و انتخاب نمک ها و حلال های لیتیوم در الکترولیت. عملکرد در دمای پایین کاربرد باتریهای لیتیوم یونی را در زمینه وسایل نقلیه الکتریکی، میدانهای خاص و محیطهای شدید محدود میکند. توسعه باتری های لیتیوم یون با عملکرد عالی در دمای پایین یک تقاضای فوری در بازار است.
