Test à basse température pour les batteries Li-ion des véhicules électriques

Test à basse température pour les batteries Li-ion des véhicules électriques

Les batteries au lithium-ion ont été largement utilisées dans le domaine des véhicules électriques en raison de leur haute tension, de leur énergie spécifique élevée et de leurs bonnes performances de cyclage.

1 Test

En prenant comme exemple une batterie au lithium-ion d'une capacité nominale de 70 Ah pour les véhicules électriques, un test de capacité à température ambiante (20 ℃) et un test de capacité à basse température (-20 ℃) ont été réalisés pour comparer l'impact de la température sur la capacité des batteries au lithium-ion. La batterie lithium-ion a une tension de coupure de charge de 36V et une tension de coupure de décharge de 2,0V. Ensuite, des tests de capacité de décharge sont effectués dans des environnements de 20 ℃ et -20 ℃, et le test est terminé lorsque la tension de coupure de décharge est de 2,0V.

2 Principaux facteurs affectant la capacité à basse température

Les performances à basse température des batteries lithium-ion sont principalement affectées par les types d'électrolytes, les matériaux des électrodes positives et négatives, etc. Les performances à basse température des batteries lithium-ion varient également en fonction du type d'électrolyte et des matériaux des électrodes positives et négatives. Dans des conditions de basse température, la solidification de certains solvants dans l'électrolyte de la batterie entraîne des difficultés dans la migration des ions et une diminution de la conductivité ; la résistance de transfert des ions lithium dans les matériaux d'électrode augmente ; la diffusion du lithium et le transfert de charge entre l'électrode et l'interface de l'électrolyte sont plus lents, et la mouillabilité de l'électrolyte sur le séparateur ainsi que la pénétration des ions lithium dans le séparateur deviennent moins bonnes.

2.1 L'influence de l'électrolyte

L'influence de l'électrolyte est un élément important des batteries lithium-ion. Le transfert ionique entre les électrodes positive et négative à l'intérieur de la batterie est généralement réalisé à l'aide d'un mélange de solvants organiques non aqueux dissous dans des sels de lithium. Les solvants organiques tels que le carbonate d'éthylène (EC), le carbonate de propylène (PC), le carbonate de diméthyle (DMC), le carbonate de diéthyle (DEC) et le carbonate de méthyle et d'éthyle (EMC) sont actuellement largement utilisés dans les électrolytes des batteries lithium-ion. L'impact des électrolytes sur les performances à basse température se reflète principalement dans leurs effets sur la conductivité et les propriétés du film de l'interface solide-électrolyte (SEI).

1) Conductivité.

La conductivité est un paramètre important pour mesurer la performance des électrolytes, et une conductivité élevée est une condition nécessaire pour obtenir une bonne performance à basse température des batteries lithium-ion. Du point de vue des solvants organiques, les principaux facteurs affectant la conductivité sont la constante diélectrique et la viscosité du solvant. Plus la constante diélectrique du solvant est élevée, plus la force électrostatique entre les ions lithium et les anions est faible, et plus il est facile pour les sels de lithium de se décomposer et d'augmenter le nombre d'ions libres.

La viscosité des solvants affecte principalement la mobilité des ions libres. Plus la viscosité est élevée, plus la mobilité est faible et plus la conductivité est basse. Inversement, l'inverse est vrai. Lorsque la température diminue, la constante diélectrique du solvant diminue la force d'interaction entre les ions lithium et les anions, et la difficulté de décomposition du sel de lithium augmente. Lorsque la température diminue, la viscosité de l'électrolyte augmente et le taux de migration des ions diminue. Ces facteurs réduisent la conductivité de la batterie et affectent la capacité des batteries lithium-ion.

2) Membrane SEI.

La composition de l'électrolyte détermine non seulement la conductivité ionique de l'électrolyte, mais affecte également la formation des films SEI (phase électrolytique solide). La performance des membranes SEI a un impact significatif sur la capacité irréversible, la performance à basse température, la performance de cyclage et la performance de sécurité des batteries. Un excellent film SEI doit présenter une insolubilité aux solvants organiques qui permet aux ions lithium de s'intégrer ou de se détacher librement de l'électrode, tandis que les molécules de solvant ne peuvent pas pénétrer, empêchant ainsi les molécules de solvant d'endommager l'électrode et améliorant sa durée de vie en cyclage.

Les recherches ont montré que la résistance du film SEI est beaucoup plus grande que la résistance de l'électrolyte, et que lorsque la température diminue, la résistance du film SEI augmente, ce qui correspond à une détérioration rapide des performances de la batterie. Une quantité appropriée d'additifs de formation de film peut être ajoutée à l'électrolyte des batteries lithium-ion pour réduire la résistance du film SEI, améliorer la performance du film SEI et donc améliorer la performance à basse température de la batterie.

2.2 Effet de la taille des particules des matériaux d'électrodes

Dans des conditions de basse température, la diminution de la tension de décharge de la batterie indique une augmentation de la polarisation des couches internes et externes des particules d'électrodes positives et négatives, c'est-à-dire une augmentation de l'impédance de transmission des particules solides d'électrodes positives et négatives de lithium-ion, ce qui conduit à l'atteinte prématurée de la tension de fin de décharge pendant le processus de décharge et à une diminution correspondante de la capacité de décharge.

Les recherches ont montré que dans des conditions de basse température, les électrodes en graphite entièrement chargées peuvent relativement facilement libérer les ions lithium incorporés en dessous de -20 ℃. Toutefois, à la même température, l'incorporation d'ions lithium dans des électrodes de graphite entièrement déchargées se heurte à de sérieux obstacles. En réduisant la taille des particules du matériau d'électrode, les performances de la batterie à basse température seront considérablement améliorées.

2.3 Optimisation et amélioration de l'électrolyte et des matériaux d'électrode

Nous avons mené une analyse et une recherche approfondies sur les formules et les processus de l'électrolyte et des matériaux d'électrode pour les produits non qualifiés de capacité à basse température de 70 Ah mentionnés ci-dessus. L'électrolyte du produit a été modifié, passant d'un solvant d'électrolyte ternaire composé d'EC, de DMC et de DEC à un solvant d'électrolyte quaternaire composé d'EC, de PC, de DMC et de DEC.

Les types de sels de lithium et d'additifs sont restés inchangés, mais la proportion a été ajustée pour améliorer le processus de fabrication des matériaux d'électrode. L'électrolyte a fait l'objet de dizaines d'ajustements proportionnels et d'expériences pour réduire la taille des particules du matériau d'électrode.

La batterie améliorée a une tension de démarrage de décharge de 3,293V et une tension de coupure de décharge de 2,0V à 20 ℃. La capacité de décharge de 74,6 Ah représente 106,6 % de la capacité nominale, ce qui répond aux exigences de la norme. La capacité de décharge à 20 ℃ est comprise entre 100 % et 110 % de la capacité nominale. À -20 ℃, la tension de démarrage de la décharge est de 3,189 V et la tension de coupure de la décharge est de 2,0 V. La capacité de décharge est de 56,1 Ah, soit 80,1 % de la capacité nominale. La capacité de décharge à -20 ℃ qui répond aux exigences de la norme n'est pas inférieure à 70 % de la capacité nominale (49,0 Ah)

3 Conclusion

Dans des conditions de basse température, les performances de décharge des batteries de puissance au lithium-ion se détériorent. La tension de décharge diminue et la capacité de décharge baisse considérablement. En raison de leurs caractéristiques à basse température, les batteries susmentionnées constituent un obstacle important à la popularisation et au développement des véhicules électriques dans les régions à basse température. Par conséquent, une amélioration significative des performances des batteries à basse température est propice au développement des véhicules électriques et favorise également le processus d'application des batteries lithium-ion dans les domaines militaire, aérospatial et autres.