Dimri po vjen, shikoni fenomenin e analizës së temperaturës së ulët të baterive litium-jon

Performanca e baterive litium-jon ndikohet shumë nga karakteristikat e tyre kinetike. Për shkak se Li+ duhet të tretet së pari kur futet në materialin grafit, ai duhet të konsumojë një sasi të caktuar energjie dhe të pengojë përhapjen e Li+ në grafit. Përkundrazi, kur Li+ lirohet nga materiali grafit në tretësirë, fillimisht do të ndodhë procesi i tretësirës dhe procesi i tretjes nuk kërkon konsum të energjisë. Li+ mund të heqë shpejt grafitin, gjë që çon në një pranim dukshëm më të dobët të ngarkesës së materialit grafit. Në pranueshmërinë e shkarkimit.

Në temperatura të ulëta, karakteristikat kinetike të elektrodës negative të grafitit janë përmirësuar dhe përkeqësuar. Prandaj, polarizimi elektrokimik i elektrodës negative intensifikohet ndjeshëm gjatë procesit të karikimit, gjë që lehtë mund të çojë në reshjet e litiumit metalik në sipërfaqen e elektrodës negative. Hulumtimi nga Christian von Lüders i Universitetit Teknik të Mynihut, Gjermani, ka treguar se në -2°C, shkalla e ngarkimit tejkalon C/2 dhe sasia e reshjeve të litiumit metalik është rritur ndjeshëm. Për shembull, në shkallën C/2, sasia e veshjes së litiumit në sipërfaqen e elektrodës kundërshtare është rreth të gjithë ngarkesës. 5.5% të kapacitetit, por do të arrijë 9% nën zmadhimin 1C. Litiumi metalik i precipituar mund të zhvillohet më tej dhe përfundimisht të shndërrohet në dendrite litiumi, duke depërtuar nëpër diafragmë dhe duke shkaktuar qark të shkurtër të elektrodave pozitive dhe negative. Prandaj, është e nevojshme të shmangni sa më shumë që të jetë e mundur karikimin e baterisë litium-jon në temperatura të ulëta. Kur duhet të karikojë baterinë në një temperaturë të ulët, është thelbësore të zgjidhni një rrymë të vogël për të ngarkuar baterinë litium-jon sa më shumë që të jetë e mundur dhe të ruani plotësisht baterinë litium-jon pas ngarkimit për të siguruar që litiumi metalik të precipitohet nga elektroda negative mund të reagojë me grafit dhe të rifutet në elektrodën negative të grafitit.

Veronika Zinth dhe të tjerë të Universitetit Teknik të Mynihut përdorën difraksionin e neutronit dhe metoda të tjera për të studiuar sjelljen e evolucionit të litiumit të baterive litium-jon në një temperaturë të ulët prej -20°C. Difraksioni i neutronit ka qenë një metodë e re zbulimi në vitet e fundit. Krahasuar me XRD, difraksioni i neutronit është më i ndjeshëm ndaj elementëve të dritës (Li, O, N, etj.), kështu që është shumë i përshtatshëm për testimin jo shkatërrues të baterive litium-jon.

Në eksperiment, VeronikaZinth përdori baterinë NMC111/grafit 18650 për të studiuar sjelljen e evolucionit të litiumit të baterive litium-jon në temperatura të ulëta. Bateria ngarkohet dhe shkarkohet gjatë provës sipas procesit të paraqitur në figurën më poshtë.

Figura e mëposhtme tregon ndryshimin fazor të elektrodës negative nën SoC të ndryshme gjatë ciklit të dytë të karikimit në ngarkimin me shpejtësi C/30. Mund të duket se në 30.9% SoC, fazat e elektrodës negative janë kryesisht LiC12, Li1-XC18 dhe një sasi e vogël e Përbërjes LiC6; pasi SoC kalon 46%, intensiteti i difraksionit të LiC12 vazhdon të ulet, ndërsa fuqia e LiC6 vazhdon të rritet. Sidoqoftë, edhe pas përfundimit të ngarkimit përfundimtar, pasi vetëm 1503 mAh ngarkohet në temperaturë të ulët (kapaciteti është 1950 mAh në temperaturën e dhomës), LiC12 ekziston në elektrodën negative. Supozoni se rryma e karikimit është reduktuar në C/100. Në atë rast, bateria mund të marrë ende një kapacitet prej 1950 mAh në temperatura të ulëta, gjë që tregon se ulja e fuqisë së baterive litium-jon në temperatura të ulëta është kryesisht për shkak të përkeqësimit të kushteve kinetike.

Figura më poshtë tregon ndryshimin fazor të grafitit në elektrodën negative gjatë karikimit sipas shkallës C/5 në një temperaturë të ulët prej -20°C. Mund të shihet se ndryshimi i fazës së grafitit është dukshëm i ndryshëm në krahasim me ngarkimin me shpejtësi C/30. Mund të shihet nga figura se kur SoC>40%, forca fazore e baterisë LiC12 nën shpejtësinë e ngarkimit C/5 zvogëlohet ndjeshëm më ngadalë dhe rritja e forcës së fazës LiC6 është gjithashtu dukshëm më e dobët se ajo e C/30. norma e tarifimit. Tregon se me një normë relativisht të lartë prej C/5, më pak LiC12 vazhdon të ndërhyjë litiumin dhe shndërrohet në LiC6.

Figura më poshtë krahason ndryshimet fazore të elektrodës negative të grafitit kur ngarkohet me ritme C/30 dhe C/5, përkatësisht. Figura tregon se për dy shkallë të ndryshme karikimi, faza e varfër me litium Li1-XC18 është shumë e ngjashme. Dallimi reflektohet kryesisht në dy fazat e LiC12 dhe LiC6. Nga figura mund të shihet se tendenca e ndryshimit të fazës në elektrodën negative është relativisht afër në fazën fillestare të karikimit nën dy shkallët e ngarkimit. Për fazën LiC12, kur kapaciteti i karikimit arrin 950 mAh (49% SoC), tendenca e ndryshimit fillon të shfaqet ndryshe. Kur bëhet fjalë për 1100 mAh (56.4% SoC), faza LiC12 nën dy zmadhimet fillon të tregojë një hendek të konsiderueshëm. Kur ngarkohet me një shpejtësi të ulët prej C/30, rënia e fazës LiC12 është shumë e shpejtë, por rënia e fazës LiC12 në shpejtësinë C/5 është shumë më e ngadaltë; do të thotë, kushtet kinetike të futjes së litiumit në elektrodën negative përkeqësohen në temperatura të ulëta. Kështu që LiC12 ndërthur më tej litiumin për të gjeneruar shpejtësinë e fazës LiC6 u ul. Në përputhje me rrethanat, faza LiC6 rritet shumë shpejt me një shpejtësi të ulët prej C/30, por është shumë më e ngadaltë me një shpejtësi prej C/5. Kjo tregon se në shkallën C/5, më shumë Li i imët është ngulitur në strukturën kristalore të grafitit, por ajo që është interesante është se kapaciteti i ngarkimit të baterisë (1520.5 mAh) në shkallën e karikimit C/5 është më i lartë se ai në C. /30 tarifë. Fuqia (1503.5 mAh) është më e lartë. Li-ja shtesë që nuk është e ngulitur në elektrodën negative të grafitit ka të ngjarë të precipitohet në sipërfaqen e grafitit në formën e litiumit metalik. Procesi i qëndrimit pas përfundimit të karikimit e dëshmon këtë edhe nga ana - pak.

Figura e mëposhtme tregon strukturën fazore të elektrodës së grafitit negativ pas karikimit dhe pasi është lënë për 20 orë. Në fund të karikimit, faza e elektrodës negative të grafitit është shumë e ndryshme nën dy shkallët e karikimit. Në C/5, raporti i LiC12 në anodën e grafitit është më i lartë dhe përqindja e LiC6 është më e ulët, por pas qëndrimit për 20 orë, diferenca midis të dyjave është bërë minimale.

Figura më poshtë tregon ndryshimin fazor të elektrodës negative të grafitit gjatë procesit të ruajtjes prej 20 orësh. Nga figura mund të shihet se megjithëse fazat e dy elektrodave kundërshtare janë ende shumë të ndryshme në fillim, me rritjen e kohës së ruajtjes, dy llojet e karikimit Faza e anodës grafit nën zmadhim ka ndryshuar shumë afër. LiC12 mund të vazhdojë të konvertohet në LiC6 gjatë procesit të raftit, duke treguar se Li do të vazhdojë të jetë i ngulitur në grafit gjatë procesit të raftit. Kjo pjesë e Li ka të ngjarë të jetë litiumi metalik i precipituar në sipërfaqen e elektrodës së grafitit negativ në temperaturë të ulët. Analiza e mëtejshme tregoi se në fund të karikimit me shpejtësinë C/30, shkalla e ndërthurjes së litiumit të elektrodës negative të grafitit ishte 68%. Megjithatë, shkalla e ndërthurjes së litiumit u rrit në 71% pas rafteve, një rritje prej 3%. Në fund të karikimit me shpejtësinë C/5, shkalla e futjes së litiumit të elektrodës negative të grafitit ishte 58%, por pasi u la për 20 orë, u rrit në 70%, një rritje totale prej 12%.

Hulumtimi i mësipërm tregon se gjatë karikimit në temperatura të ulëta, kapaciteti i baterisë do të ulet për shkak të përkeqësimit të kushteve kinetike. Ai gjithashtu do të precipitojë metalin e litiumit në sipërfaqen e elektrodës negative për shkak të uljes së shkallës së futjes së litiumit të grafitit. Megjithatë, pas një periudhe magazinimi, kjo pjesë e litiumit metalik mund të futet përsëri në grafit; në përdorimin aktual, koha e ruajtjes është shpesh e shkurtër dhe nuk ka asnjë garanci që i gjithë litiumi metalik mund të futet përsëri në grafit, kështu që mund të shkaktojë që një pjesë e litiumit metalik të vazhdojë të ekzistojë në elektrodën negative. Sipërfaqja e baterisë litium-jon do të ndikojë në kapacitetin e baterisë litium-jon dhe mund të prodhojë dendrite litium që rrezikojnë sigurinë e baterisë litium-jon. Prandaj, përpiquni të shmangni karikimin e baterisë litium-jon në temperatura të ulëta. Rryma e ulët dhe pas vendosjes, siguroni kohë të mjaftueshme për të eliminuar litiumin metalik në elektrodën negative të grafitit.

Ky artikull i referohet kryesisht dokumenteve të mëposhtme. Raporti përdoret vetëm për prezantimin dhe rishikimin e punimeve shkencore të lidhura, mësimdhënies në klasë dhe kërkimit shkencor. Jo për përdorim komercial. Nëse keni ndonjë problem me të drejtën e autorit, ju lutemi mos ngurroni të na kontaktoni.

1.Vlerësoni aftësinë e materialeve grafit si elektroda negative në kondensatorët litium-jon, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2. Veshja me litium në bateritë litium-jon hetuar nga relaksimi i tensionit dhe difraksioni i neutronit në vend,Journal of Power Sources 342(2017)17-23, Christian von Lüders, Veronika Zinth, Simon V.Erhard, Patrick J.Osswald, Michael Hof , Ralph Gilles, Andreas Jossen

3. Veshja me litium në bateritë litium-jon në temperatura nën-ambient të hetuar nga difraksioni i neutronit në vend, Journal of Power Sources 271 (2014) 152-159, Veronika Zinth, Christian von Lüders, Michael Hofmann, Johannes Hattendorfger, Irmgard Buch Erhard, Joana Rebelo-Kornmeier, Andreas Jossen, Ralph Gilles