By hoppt
Performanța bateriilor litiu-ion este foarte afectată de caracteristicile lor cinetice. Deoarece Li+ trebuie mai întâi desolvatat când este încorporat în materialul de grafit, trebuie să consume o anumită cantitate de energie și să împiedice difuzia Li+ în grafit. Dimpotrivă, atunci când Li+ este eliberat din materialul de grafit în soluție, procesul de solvatare va avea loc mai întâi, iar procesul de solvatare nu necesită consum de energie. Li+ poate îndepărta rapid grafitul, ceea ce duce la o acceptare semnificativ mai slabă a încărcăturii materialului de grafit. În acceptabilitatea de descărcare de gestiune .
La temperaturi scăzute, caracteristicile cinetice ale electrodului negativ din grafit s-au îmbunătățit și s-au înrăutățit. Prin urmare, polarizarea electrochimică a electrodului negativ este intensificată semnificativ în timpul procesului de încărcare, ceea ce poate duce cu ușurință la precipitarea litiului metalic pe suprafața electrodului negativ. Cercetările realizate de Christian von Lüders de la Universitatea Tehnică din München, Germania, au arătat că la -2°C, rata de încărcare depășește C/2, iar cantitatea de precipitare a litiului metalic este semnificativ crescută. De exemplu, la rata C/2, cantitatea de placare cu litiu pe suprafața electrodului opus este de aproximativ întreaga sarcină. 5.5% din capacitate, dar va ajunge la 9% sub o mărire de 1C. Litiul metalic precipitat se poate dezvolta în continuare și în cele din urmă devine dendrite de litiu, străpungând diafragma și provocând scurtcircuitarea electrozilor pozitivi și negativi. Prin urmare, este necesar să evitați pe cât posibil încărcarea bateriei litiu-ion la temperaturi scăzute. Când trebuie să încarce bateria la o temperatură scăzută, este esențial să selectați un curent mic pentru a încărca bateria litiu-ion cât mai mult posibil și să depozitați complet bateria cu litiu-ion după încărcare pentru a vă asigura că litiuul metalic a precipitat de la electrodul negativ poate reacționa cu grafitul și reîncorporat în electrodul negativ de grafit.
Veronika Zinth și alții de la Universitatea Tehnică din München au folosit difracția cu neutroni și alte metode pentru a studia comportamentul evoluției litiului al bateriilor litiu-ion la o temperatură scăzută de -20°C. Difracția cu neutroni a fost o metodă nouă de detectare în ultimii ani. În comparație cu XRD, difracția neutronilor este mai sensibilă la elementele ușoare (Li, O, N etc.), deci este foarte potrivită pentru testarea nedistructivă a bateriilor litiu-ion.
În experiment, VeronikaZinth a folosit bateria NMC111/grafit 18650 pentru a studia comportamentul evoluției litiului al bateriilor litiu-ion la temperaturi scăzute. Bateria este încărcată și descărcată în timpul testului conform procesului prezentat în figura de mai jos.
Următoarea figură arată schimbarea de fază a electrodului negativ sub diferite SoC-uri în timpul celui de-al doilea ciclu de încărcare la rata de încărcare C/30. Se poate părea că la 30.9% SoC, fazele electrodului negativ sunt în principal LiC12, Li1-XC18 și o cantitate mică de Compoziție LiC6; după ce SoC depășește 46%, intensitatea de difracție a LiC12 continuă să scadă, în timp ce puterea LiC6 continuă să crească. Cu toate acestea, chiar și după finalizarea încărcării finale, deoarece doar 1503mAh este încărcat la temperatură scăzută (capacitatea este de 1950mAh la temperatura camerei), LiC12 există în electrodul negativ. Să presupunem că curentul de încărcare este redus la C/100. În acest caz, bateria poate obține în continuare o capacitate de 1950mAh la temperaturi scăzute, ceea ce indică faptul că scăderea puterii bateriilor litiu-ion la temperaturi scăzute se datorează în principal deteriorării condițiilor cinetice.
Figura de mai jos arată schimbarea de fază a grafitului în electrodul negativ în timpul încărcării conform ratei C/5 la o temperatură scăzută de -20°C. Se poate observa că schimbarea de fază a grafitului este semnificativ diferită în comparație cu rata de încărcare C/30. Se poate observa din figură că atunci când SoC>40%, puterea de fază a bateriei LiC12 sub rata de încărcare C/5 scade semnificativ mai lent, iar creșterea rezistenței fazei LiC6 este, de asemenea, considerabil mai slabă decât cea a C/30. rata de încărcare. Acesta arată că la o rată relativ mare de C/5, mai puțin LiC12 continuă să intercaleze litiu și este convertit în LiC6.
Figura de mai jos compară schimbările de fază ale electrodului de grafit negativ la încărcarea la ratele C/30 și, respectiv, C/5. Figura arată că pentru două rate de încărcare diferite, faza săracă în litiu Li1-XC18 este foarte asemănătoare. Diferența se reflectă în principal în cele două faze ale LiC12 și LiC6. Din figură se poate observa că tendința de schimbare de fază a electrodului negativ este relativ apropiată în stadiul inițial de încărcare sub cele două rate de încărcare. Pentru faza LiC12, când capacitatea de încărcare ajunge la 950mAh (49% SoC), tendința de schimbare începe să pară diferită. Când vine vorba de 1100mAh (56.4% SoC), faza LiC12 sub cele două măriri începe să arate un decalaj semnificativ. La încărcarea la o rată scăzută de C/30, scăderea etapei LiC12 este foarte rapidă, dar scăderea fazei LiC12 la rata C/5 este mult mai lentă; adică condițiile cinetice de inserare a litiului în electrodul negativ se deteriorează la temperaturi scăzute. , Astfel încât LiC12 intercalează în continuare litiu pentru a genera LiC6 viteza de fază a scăzut. În mod corespunzător, faza LiC6 crește foarte repede la o rată scăzută de C/30, dar este mult mai lentă la o rată de C/5. Acest lucru arată că la rata C/5, mai mic Li este încorporat în structura cristalină a grafitului, dar ceea ce este interesant este că capacitatea de încărcare a bateriei (1520.5 mAh) la rata de încărcare C/5 este mai mare decât cea de la C. /30 rata de încărcare. Puterea (1503.5mAh) este mai mare. Excesul de Li care nu este încorporat în electrodul negativ de grafit este probabil să fie precipitat pe suprafața grafitului sub formă de litiu metalic. Procesul în picioare după terminarea încărcării demonstrează acest lucru și din lateral — puțin.
Figura următoare arată structura de fază a electrodului negativ de grafit după încărcare și după ce a fost lăsat timp de 20 de ore. La sfârșitul încărcării, faza electrodului negativ de grafit este foarte diferită la cele două rate de încărcare. La C/5, raportul de LiC12 în anodul de grafit este mai mare, iar procentul de LiC6 este mai mic, dar după ce a stat timp de 20 de ore, diferența dintre cele două a devenit minimă.
Figura de mai jos arată schimbarea de fază a electrodului negativ de grafit în timpul procesului de stocare de 20 de ore. Se poate observa din figură că, deși fazele celor doi electrozi opuși sunt încă foarte diferite la început, pe măsură ce timpul de stocare crește, cele două tipuri de încărcare Etapa anodului de grafit sub mărire s-a schimbat foarte aproape. LiC12 poate continua să fie convertit în LiC6 în timpul procesului de raftare, ceea ce indică faptul că Li va continua să fie încorporat în grafit în timpul procesului de raftare. Această parte de Li este probabil să fie metalică precipitată de litiu pe suprafața electrodului negativ de grafit la temperatură scăzută. O analiză ulterioară a arătat că la sfârșitul încărcării la rata C/30, gradul de intercalare cu litiu a electrodului de grafit negativ a fost de 68%. Totuși, gradul de intercalare a litiului a crescut la 71% după raft, o creștere de 3%. La sfârșitul încărcării la rata C/5, gradul de inserție de litiu al electrodului negativ din grafit a fost de 58%, dar după ce a fost lăsat timp de 20 de ore, acesta a crescut la 70%, o creștere totală de 12%.
Cercetările de mai sus arată că la încărcarea la temperaturi scăzute, capacitatea bateriei va scădea din cauza deteriorării condițiilor cinetice. De asemenea, va precipita metalul de litiu pe suprafața electrodului negativ datorită scăderii ratei de inserție a litiului de grafit. Cu toate acestea, după o perioadă de depozitare, această parte de litiu metalic poate fi încorporată din nou în grafit; în timpul utilizării efective, timpul de depozitare este adesea scurt și nu există nicio garanție că tot litiul metalic poate fi încorporat din nou în grafit, așa că poate cauza existența în continuare a unui litiu metalic în electrodul negativ. Suprafața bateriei litiu-ion va afecta capacitatea bateriei litiu-ion și poate produce dendrite de litiu care pun în pericol siguranța bateriei litiu-ion. Prin urmare, încercați să evitați încărcarea bateriei cu litiu-ion la temperaturi scăzute. Curent scăzut și, după setare, asigurați-vă suficient timp de depozitare pentru a elimina litiul metalic din electrodul negativ de grafit.
Acest articol se referă în principal la următoarele documente. Raportul este folosit doar pentru a introduce și revizui lucrări științifice conexe, predare la clasă și cercetare științifică. Nu pentru uz comercial. Dacă aveți probleme legate de drepturile de autor, vă rugăm să nu ezitați să ne contactați.
1. Evaluați capacitatea materialelor de grafit ca electrozi negativi în condensatoarele cu ioni de litiu, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo
2. Placarea cu litiu în bateriile litiu-ion investigată prin relaxarea tensiunii și difracția neutronilor in situ, Journal of Power Sources 342(2017)17-23, Christian von Lüders, Veronika Zinth, Simon V.Erhard, Patrick J.Osswald, Michael Hofman , Ralph Gilles, Andreas Jossen
3. Placarea cu litiu în bateriile litiu-ion la temperaturi sub-ambientale investigate prin difracția neutronilor in situ, Journal of Power Sources 271 (2014) 152-159, Veronika Zinth, Christian von Lüders, Michael Hofmann, Johannes Hattendorff, Irmgard Buchberger, Simon Erhard, Joana Rebelo-Kornmeier, Andreas Jossen, Ralph Gilles
Răspundeți în 6 ore, orice întrebări sunt binevenite!
