**Einführung:**
Mit der rasanten Entwicklung neuer Energiequellen finden Lithium-Ionen-Batterien breite Anwendung in verschiedenen Bereichen. In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen stehen Lithium-Ionen-Batterien jedoch vor einer Reihe von Leistungsproblemen, darunter eine verringerte Entladekapazität, ein erhöhter Innenwiderstand und eine geringere Lade- und Entladeeffizienz. Dieser Artikel befasst sich mit den Problemen von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen und stellt einige Strategien vor, wobei der Schwerpunkt auf der Forschung und Entwicklung der Vorwärmtechnologie für Lithium-Ionen-Batterien liegt.
**I. Auswirkungen einer niedrigen Batterietemperatur auf die Batterieleistung**
1. **Abnahme der Batterieentladekapazität:**
Die Batteriekapazität, einer der wichtigsten Parameter, nimmt bei niedrigen Temperaturen deutlich ab. Die Betrachtung der Temperatur-Kapazitäts-Kurve zeigt, dass die Kapazität bei -20 °C nur etwa 60 % der Kapazität bei 15 °C beträgt. Dies ist hauptsächlich auf die verringerte Aktivität des positiven Elektrodenmaterials zurückzuführen, die die Bewegung der Lithium-Ionen verlangsamt und so zu einer verringerten Kapazität führt.
2. **Erhöhung des Innenwiderstands:**
Es besteht ein klarer Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand einer Batterie und der Temperatur. Bei niedrigen Temperaturen steigt der Innenwiderstand deutlich an. Dies liegt daran, dass die Diffusions- und Bewegungsfähigkeit geladener Ionen in den Materialien der positiven und negativen Elektroden abnimmt, was zu einem Anstieg des Innenwiderstands führt. Die Bildung eines Passivierungsfilms zwischen Elektrode und Elektrolyt behindert die freie Bewegung der Ionen.
3. **Reduzierte Lade- und Entladeeffizienz:**
Bei niedrigen Batterietemperaturen wird die Ladeeffizienz deutlich beeinträchtigt. Bei -20 °C beträgt die Ladeeffizienz nur 65 % der bei 15 °C. Dies liegt an Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften, die dazu führen, dass eine beträchtliche Menge elektrischer Energie in Form von Wärme im Innenwiderstand verbraucht wird, was die Ladeeffizienz verringert.
**II. Sekundärreaktionen in Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen**
Neben der Leistungsminderung kommt es bei Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen zu verschiedenen Sekundärreaktionen, die zu einem Kapazitätsverlust und einer Leistungsverschlechterung führen. Diese Reaktionen finden hauptsächlich zwischen Lithium-Ionen und dem Elektrolyt statt und sind irreversibel.
1. **Negative Elektrodenreaktion:**
Das Potenzial des Materials der negativen Elektrode ist deutlich niedriger als das des Materials der positiven Elektrode. Dies führt zu irreversiblen Reaktionen an der negativen Elektrode und der Bildung der problematischen Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI). Risse in der SEI-Folie bilden einen direkten Kontaktkanal zwischen Elektrolyt und Elektrode, was zu kontinuierlichen internen Reaktionen und Leistungseinbußen führt.
2. **Positive Elektrodenreaktion:**
Die reduzierte Aktivität des positiven Elektrodenmaterials behindert die Diffusion und Bewegung von Lithiumionen an der positiven Elektrode. Kontinuierliche Zyklen führen zu einer Ausdehnung und Kontraktion der Elektrode, was zum Bruch des SEI-Films und weiteren Beeinträchtigungen der Batterieleistung führt.
**III. Forschung und Entwicklung einer Niedertemperatur-Vorwärmtechnologie für Lithium-Ionen-Batterien**
Angesichts der Herausforderungen, die Lithium-Ionen-Batterien in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen darstellen, haben Techniker Strategien wie Laden und Vorwärmen vorgeschlagen, um die Entladekapazität und die Lebensdauer der Batterie zu verbessern.
1. **Vorheizmethoden:**
Vorheizmethoden lassen sich in externes und internes Vorheizen unterteilen. Im Vergleich zum externen Vorheizen vermeidet das interne Vorheizen die Wärmeleitung über große Entfernungen und die Bildung lokaler Hotspots. Dadurch wird die Batterie gleichmäßiger erwärmt und die Heizeffizienz verbessert.
2. **Interner Wechselstrom-Vorwärmansatz (AC):**
Der Forschungsschwerpunkt liegt auf Heizgeschwindigkeit und -effizienz. Dabei gilt es, Nebenreaktionen wie Lithiumablagerungen während des Vorheizens zu verhindern. Das Batteriemanagementsystem (BMS) muss die Bedingungen für die Lithiumablagerung in Echtzeit abschätzen und steuern. Dies erfordert eine modellbasierte Niedertemperatur-Batterieheiztechnologie.
**Abschluss:**
Angesichts der rasanten Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien ist die Bewältigung der Herausforderungen in Niedrigtemperaturumgebungen von entscheidender Bedeutung. Durch eingehende Forschung zu den Auswirkungen auf die Batterieleistung und kontinuierliche Innovation in der Vorheiztechnologie können wir die Leistungsprobleme von Lithium-Ionen-Batterien in Niedrigtemperaturumgebungen besser lösen, ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer verbessern und die Entwicklung neuer Energieanwendungen vorantreiben.
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Beitragszeit: 02.01.2024
