Upotreba litij-ionskih baterija ograničena je u okruženjima s niskom temperaturom jer će njihov kapacitet pražnjenja znatno opasti i ne mogu se puniti na niskim temperaturama. Tijekom punjenja pri niskim temperaturama, umetanje litijevih iona na grafitnu elektrodu baterije i reakcija nanošenja litijskog sloja koegzistiraju i međusobno se natječu. U uvjetima niske temperature, difuzija litijevih iona u grafitu je inhibirana, a vodljivost elektrolita se smanjuje, što dovodi do smanjenja brzine umetanja. Na površini grafita vjerojatnije je da će doći do reakcije litijskog presvlačenja.
Istraživanje je pokazalo da će baterija s kapacitetom od 3500 mAh, ako radi u okruženju od -10 stupnjeva , nakon manje od 100 ciklusa punjenja i pražnjenja, doživjeti nagli pad kapaciteta baterije na 500 mAh, te se u osnovi baca u otpad. Odnosno, u radnom okruženju od -10 stupnjeva, ako se električno vozilo puni i prazni jednom dnevno, baterija će se morati odbaciti i zamijeniti novom nakon tri mjeseca.
Razlozi koji utječu na performanse litij željezo fosfatnih baterija pri niskim temperaturama:
1. Struktura pozitivne elektrode
Trodimenzionalna struktura materijala pozitivne elektrode ograničava brzinu difuzije litij željezo fosfatnih baterija, posebno na niskim temperaturama. Različiti materijali pozitivnih elektroda imaju različite trodimenzionalne strukture. Trenutačno, važni materijali pozitivnih elektroda koji se koriste u litij-ionskim baterijama za električna vozila su litij željezo fosfat, nikal kobalt mangan ternarni materijali i litij manganov oksid. Kapacitet pražnjenja litij-željezo-fosfatnih baterija može doseći samo 67,38% kapaciteta sobne temperature na -20 stupnjeva, dok nikl-kobalt-mangan ternarne baterije mogu doseći 70,1%.
2. Otapalo s visokim talištem
Zbog prisutnosti otapala s visokim talištem u miješanom otapalu elektrolita, viskoznost elektrolita litij-ionske baterije povećava se na niskim temperaturama. Kada je temperatura preniska, dolazi do skrućivanja elektrolita, što dovodi do smanjenja brzine prijenosa litijevih iona u elektrolitu.
3. Brzina difuzije litij iona
Brzina difuzije litijevih iona u grafitnim negativnim elektrodama smanjuje se u uvjetima niske temperature. Povećanje impedancije prijenosa naboja litij-ionskih baterija u okruženjima s niskom temperaturom dovodi do smanjenja stope difuzije litijevih iona u grafitnoj negativnoj elektrodi, što je važan razlog koji utječe na performanse litij-željezo-fosfatnih baterija na niskim temperaturama.
4. SEI membrana
U okruženjima s niskim temperaturama, SEI film na negativnoj elektrodi litij-željezo-fosfatnih baterija se zgušnjava, a impedancija SEI filma se povećava, što dovodi do smanjenja brzine vodljivosti litijevih iona u SEI filmu. U konačnici, polarizacija nastala tijekom punjenja i pražnjenja u okruženjima s niskom temperaturom smanjuje učinkovitost punjenja i pražnjenja.
5. Proizvodno okruženje
Kao proizvod visoke tehnologije s brojnim kemijskim sirovinama i složenim procesima, litij-željezo-fosfatne baterije imaju visoke zahtjeve za temperaturu, vlažnost, prašinu i druge čimbenike u proizvodnom okruženju. Ako nije ispravno kontrolirana, kvaliteta baterije će varirati.
Sažetak: Trenutačno više čimbenika utječe na niskotemperaturne performanse litij-željezo-fosfatnih baterija, kao što su struktura pozitivne elektrode, brzina migracije litijevih iona u različitim dijelovima baterije, debljina i kemijski sastav SEI filma, te izbor litijevih soli i otapala u elektrolitu. Niskotemperaturne performanse ograničavaju primjenu litij-ionskih baterija u području električnih vozila, posebnim područjima i ekstremnim okruženjima. Razvoj litij-ionskih baterija s izvrsnim performansama pri niskim temperaturama hitan je zahtjev na tržištu.
