**Einführung:**
Mit der rasanten Entwicklung neuer Energiequellen finden Lithium-Ionen-Batterien in verschiedenen Bereichen breite Anwendung. Bei niedrigen Temperaturen stehen sie jedoch vor einer Reihe von Leistungsproblemen, darunter eine verringerte Entladekapazität, ein erhöhter Innenwiderstand sowie eine reduzierte Lade- und Entladeeffizienz. Dieser Artikel befasst sich mit den Problemen von Lithium-Ionen-Batterien unter Tieftemperaturbedingungen und stellt Lösungsansätze vor, wobei der Schwerpunkt auf der Forschung und Entwicklung von Vorwärmtechnologien für Lithium-Ionen-Batterien liegt.
**I. Auswirkungen niedriger Batterietemperaturen auf die Batterieleistung**
1. **Verringerung der Entladekapazität der Batterie:**
Die Batteriekapazität, einer der wichtigsten Parameter, nimmt bei niedrigen Temperaturen deutlich ab. Betrachtet man die Temperatur-Kapazitäts-Kurve, so zeigt sich, dass die Kapazität bei -20 °C nur noch etwa 60 % des Wertes bei 15 °C beträgt. Dies ist hauptsächlich auf die verringerte Aktivität des positiven Elektrodenmaterials zurückzuführen, wodurch die Bewegung der Lithiumionen verlangsamt und die Kapazität reduziert wird.
2. **Erhöhung des Innenwiderstands:**
Zwischen dem Innenwiderstand von Batterien und der Temperatur besteht ein klarer Zusammenhang: Bei niedrigen Temperaturen steigt der Innenwiderstand deutlich an. Dies liegt daran, dass die Diffusions- und Beweglichkeit geladener Ionen in den positiven und negativen Elektrodenmaterialien abnimmt, was zu einem Anstieg des Innenwiderstands führt. Die Bildung eines Passivierungsfilms zwischen Elektrode und Elektrolyt behindert die freie Ionenbewegung.
3. **Verringerte Lade- und Entladeeffizienz:**
Bei niedrigen Batterietemperaturen wird die Ladeeffizienz deutlich beeinträchtigt. Bei -20 °C beträgt sie nur noch 65 % der Effizienz bei 15 °C. Dies ist auf Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften zurückzuführen, die dazu führen, dass ein erheblicher Teil der elektrischen Energie in Form von Wärme durch den Innenwiderstand verbraucht wird, wodurch die Ladeeffizienz sinkt.
**II. Sekundärreaktionen in Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen**
Neben der Leistungsverschlechterung unterliegen Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen verschiedenen Sekundärreaktionen, die zu einem Kapazitätsverlust und einer Leistungsminderung führen. Diese Reaktionen finden hauptsächlich zwischen Lithium-Ionen und dem Elektrolyten statt und sind irreversibel.
1. **Reaktion der negativen Elektrode:**
Das Potenzial des negativen Elektrodenmaterials ist deutlich niedriger als das des positiven Elektrodenmaterials. Dies führt zu irreversiblen Reaktionen an der negativen Elektrode und zur Bildung der problematischen Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI). Risse in der SEI-Schicht ermöglichen einen direkten Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektrode, was kontinuierliche interne Reaktionen und eine Leistungsverschlechterung zur Folge hat.
2. **Reaktion der positiven Elektrode:**
Die verringerte Aktivität des positiven Elektrodenmaterials behindert die Diffusion und Bewegung von Lithiumionen an der positiven Elektrode. Kontinuierliches Laden und Entladen führt zu einer Ausdehnung und Kontraktion der Elektrode, was zum Aufbrechen des SEI-Films und einer weiteren Beeinträchtigung der Batterieleistung führt.
**III. Forschung und Entwicklung von Niedertemperatur-Vorheiztechnologien für Lithium-Ionen-Batterien**
Angesichts der Herausforderungen, die Lithium-Ionen-Batterien in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen mit sich bringen, haben Techniker Strategien wie Laden und Vorheizen vorgeschlagen, um die Entladekapazität und die Lebensdauer der Batterie zu verbessern.
1. **Vorheizmethoden:**
Vorheizmethoden lassen sich in externe und interne Erwärmung unterteilen. Im Vergleich zur externen Erwärmung vermeidet die interne Erwärmung Wärmeleitung über größere Entfernungen und die Bildung lokaler Hotspots, wodurch eine gleichmäßigere Erwärmung der Batterie und somit eine höhere Heizeffizienz erreicht wird.
2. **Internes Wechselstrom-Vorheizverfahren:**
Die Forschung konzentriert sich auf Aufheizgeschwindigkeit und -effizienz, wobei Sekundärreaktionen wie Lithiumabscheidung während des Vorheizens verhindert werden müssen. Das Batteriemanagementsystem (BMS) muss die Bedingungen für die Lithiumabscheidung in Echtzeit abschätzen und steuern können, was eine modellbasierte Niedertemperatur-Batterieheiztechnologie erfordert.
**Abschluss:**
Angesichts der rasanten Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien ist die Bewältigung der Herausforderungen in Tieftemperaturumgebungen von entscheidender Bedeutung. Durch intensive Forschung zu den Auswirkungen auf die Batterieleistung und kontinuierliche Innovationen in der Vorheiztechnologie können wir die Leistungsprobleme von Lithium-Ionen-Batterien in Tieftemperaturumgebungen besser lösen, ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer verbessern und die Entwicklung neuer Energieanwendungen vorantreiben.
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Veröffentlichungsdatum: 02.01.2024
