リチウム電池の低温性能

低温環境では、リチウムイオン電池の性能は理想的ではありません。一般的に使用されるリチウムイオン電池は、-10 °C で動作すると、最大充放電容量と端子電圧が常温に比べて大幅に低下します [6]。放電温度が -20 °C に低下すると、利用可能な容量が減少します。室温 25 °C では 1/3 にまで低下する場合でも、放電温度が低くなると、一部のリチウム電池は充放電さえできなくなり、「電池切れ」状態になります。

1、リチウムイオン電池の低温特性
(1) 巨視的
低温におけるリチウムイオン電池の特性変化は次のとおりです。温度が継続的に低下すると、オーム抵抗と分極抵抗がさまざまな程度増加します。リチウムイオン電池の放電電圧は常温に比べて低くなります。低温で充放電を行うと、動作電圧の上昇または下降が常温に比べて速くなり、最大使用可能容量や電力が大幅に低下します。

(2) 顕微鏡的に見る
低温におけるリチウムイオン電池の性能変化は、主に以下の重要な要因の影響によるものです。周囲温度が-20℃より低い場合、液体電解質は凝固し、粘度が急激に増加し、イオン伝導度が低下します。正極材料および負極材料中のリチウムイオンの拡散は遅い。リチウムイオンは脱溶媒和しにくく、SEI膜中での透過が遅く、電荷移動インピーダンスが増加します。リチウムデンドライトの問題は、低温で特に顕著になります。

2、リチウムイオン電池の低温性能を解決するには
低温環境に対応した新しい電解液システムを設計。正極と負極の構造を改良し、伝送速度を向上させ、伝送距離を短縮します。正負の固体電解質界面を制御してインピーダンスを低減します。

(1) 電解質添加剤
一般に、機能性添加剤の使用は、バッテリーの低温性能を向上させ、理想的な SEI フィルムの形成を助ける最も効果的かつ経済的な方法の 1 つです。現在、添加剤の主な種類は、イソシアネート系添加剤、硫黄系添加剤、イオン液体添加剤、無機リチウム塩添加剤である。

たとえば、適切な還元活性を備えた硫黄ベースの添加剤であるジメチル亜硫酸 (DMS) は、その還元生成物とリチウムイオンの結合が硫酸ビニル (DTD) よりも弱いため、有機添加剤の使用を軽減すると界面インピーダンスが増加し、負極界面膜のイオン伝導性がより安定し、良好になります。亜硫酸ジメチル（DMS）に代表される亜硫酸エステルは、誘電率が高く、使用温度範囲が広い。

(2) 電解液の溶媒
従来のリチウムイオン電池の電解液は、1 mol の六フッ化リン酸リチウム (LiPF6) を EC、PC、VC、DMC、メチルエチルカーボネート (EMC) またはジエチルカーボネート (DEC) などの混合溶媒に溶解します。溶媒、融点、誘電率、粘度、リチウム塩との適合性は、バッテリーの動作温度に重大な影響を与えます。現在市販されている電解液は、-20℃以下の低温環境に適用すると凝固しやすく、誘電率が低いためリチウム塩が解離しにくく、粘度が高すぎるため電池の内部抵抗が低くなり、電池の内部抵抗が低くなります。電圧プラットフォーム。リチウムイオン電池は、TiO2(B)/グラフェン負極が A になるように電解質配合 (EC:PC:EMC=1:2:7) を最適化するなど、既存の溶媒比率を最適化することで、より優れた低温性能を実現できます。 -20℃で約240 mA h g-1の容量と0.1 A g-1の電流密度。あるいは、新しい低温電解質溶媒を開発する。低温でのリチウムイオン電池の性能の低下は、主に、電極材料に Li+ を埋め込むプロセス中の Li+ の脱溶媒和が遅いことに関係しています。1,3-ジオキソペンチレン (DIOX) など、Li+ と溶媒分子間の結合エネルギーが低い物質を選択でき、ナノスケールのチタン酸リチウムを電極材料として使用して電池テストを組み立て、電池の拡散係数の低下を補償します。より優れた低温性能を達成するために、超低温で電極材料を使用します。

(3) リチウム塩
現在、市販の LiPF6 イオンは、導電率が高く、環境中の水分要件が高く、熱安定性が低く、水反応中の HF などの有害ガスにより安全上の問題が発生しやすいです。ジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウム (LiODFB) によって製造された固体電解質フィルムは十分に安定しており、優れた低温性能と高速性能を備えています。これは、LiODFB が二シュウ酸ホウ酸リチウム (LiBOB) と LiBF4 の両方の利点を備えているためです。

3. まとめ
リチウムイオン電池の低温性能は、電極材料や電解質などの多くの側面に影響されます。電極材料や電解質など多角的な観点から総合的に改善することで、リチウムイオン電池の応用・開発を促進することができ、リチウム電池の応用見通しは良好ですが、さらなる研究で技術を開発・完成させる必要があります。