Зима долази, погледајте феномен анализе ниске температуре литијум-јонских батерија

На перформансе литијум-јонских батерија у великој мери утичу њихове кинетичке карактеристике. Пошто Ли+ прво треба да се раствори када је уграђен у графитни материјал, он треба да потроши одређену количину енергије и омета дифузију Ли+ у графит. Напротив, када се Ли+ ослободи из графитног материјала у раствор, прво ће се десити процес солватације, а процес солватације не захтева потрошњу енергије. Ли+ може брзо уклонити графит, што доводи до знатно слабијег прихватања наелектрисања графитног материјала. У прихватљивости пражњења.

На ниским температурама, кинетичке карактеристике негативне графитне електроде су се побољшале и погоршале. Због тога је електрохемијска поларизација негативне електроде значајно интензивирана током процеса пуњења, што лако може довести до таложења металног литијума на површини негативне електроде. Истраживање Кристијана фон Лудерса са Техничког универзитета у Минхену, Немачка, показало је да на -2°Ц брзина пуњења прелази Ц/2, а количина таложења металног литијума је значајно повећана. На пример, при брзини Ц/2, количина литијумске превлаке на површини супротне електроде је отприлике цело пуњење. 5.5% капацитета, али ће достићи 9% под повећањем од 1Ц. Таложени метални литијум се може даље развијати и на крају постати литијум дендрити, пробијајући се кроз дијафрагму и изазивајући кратки спој позитивних и негативних електрода. Због тога је неопходно што је више могуће избегавати пуњење литијум-јонске батерије на ниским температурама. Када батерија мора да се пуни на ниској температури, неопходно је одабрати малу струју за пуњење литијум-јонске батерије што је више могуће и потпуно ускладиштити литијум-јонску батерију након пуњења како би се осигурало да се метални литијум исталожи из негативне електроде може да реагује са графитом и поново се уграђује у негативну графитну електроду.

Вероника Зинтх и други са Техничког универзитета у Минхену користили су неутронску дифракцију и друге методе за проучавање понашања литијум-јонских батерија при еволуцији литијум-јонских батерија на ниској температури од -20°Ц. Неутронска дифракција је нови метод детекције последњих година. У поређењу са КСРД, неутронска дифракција је осетљивија на лаке елементе (Ли, О, Н, итд.), тако да је веома погодна за недеструктивно испитивање литијум-јонских батерија.

У експерименту, ВероникаЗинтх је користила батерију НМЦ111/графит 18650 да би проучавала понашање литијум-јонске батерије на ниским температурама. Батерија се пуни и празни током теста према поступку приказаном на слици испод.

Следећа слика приказује промену фазе негативне електроде под различитим СоЦ-овима током другог циклуса пуњења при пуњењу Ц/30. Може се чинити да су при 30.9% СоЦ фазе негативне електроде углавном ЛиЦ12, Ли1-КСЦ18 и мала количина ЛиЦ6 Композиције; након што СоЦ пређе 46%, интензитет дифракције ЛиЦ12 наставља да опада, док снага ЛиЦ6 наставља да расте. Међутим, чак и након што је коначно пуњење завршено, пошто се само 1503мАх пуни на ниској температури (капацитет је 1950мАх на собној температури), ЛиЦ12 постоји у негативној електроди. Претпоставимо да је струја пуњења смањена на Ц/100. У том случају батерија и даље може да добије капацитет од 1950мАх на ниским температурама, што указује да је смањење снаге литијум-јонских батерија на ниским температурама углавном последица погоршања кинетичких услова.

Слика испод приказује фазну промену графита у негативној електроди током пуњења према стопи Ц/5 на ниској температури од -20°Ц. Може се видети да је фазна промена графита значајно другачија у поређењу са пуњењем Ц/30. Са слике се може видети да када је СоЦ>40%, фазна јачина батерије ЛиЦ12 при Ц/5 стопи пуњења опада знатно спорије, а повећање јачине фазе ЛиЦ6 је такође знатно слабије од оне код Ц/30. стопа наплате. Показује да при релативно високој стопи од Ц/5, мање ЛиЦ12 наставља да интеркалира литијум и претвара се у ЛиЦ6.

Слика испод упоређује промене фазе негативне графитне електроде при пуњењу при Ц/30 и Ц/5 стопама, респективно. Слика показује да је за две различите брзине пуњења фаза сиромашна литијумом Ли1-КСЦ18 веома слична. Разлика се углавном огледа у две фазе ЛиЦ12 и ЛиЦ6. Са слике се може видети да је тренд промене фазе у негативној електроди релативно близак у почетној фази пуњења под две стопе пуњења. За ЛиЦ12 фазу, када капацитет пуњења достигне 950мАх (49% СоЦ), тренд промене почиње да изгледа другачије. Када је реч о 1100мАх (56.4% СоЦ), фаза ЛиЦ12 под два увећања почиње да показује значајан јаз. Приликом пуњења при ниској стопи од Ц/30, опадање ЛиЦ12 фазе је веома брзо, али је пад ЛиЦ12 фазе при Ц/5 стопи много спорије; односно кинетички услови убацивања литијума у ​​негативну електроду погоршавају се на ниским температурама. , Тако да ЛиЦ12 даље интеркалира литијум да би створио ЛиЦ6 фазну брзину смањена. Сходно томе, фаза ЛиЦ6 расте веома брзо при ниској стопи од Ц/30, али је много спорија при стопи од Ц/5. Ово показује да је при Ц/5 стопи, више ситног Ли је уграђено у кристалну структуру графита, али оно што је занимљиво је да је капацитет пуњења батерије (1520.5 мАх) при Ц/5 стопи пуњења већи од оног на Ц/30 /1503.5 тарифа. Снага (XNUMX мАх) је већа. Додатни Ли који није уграђен у негативну графитну електроду ће вероватно бити исталожен на површини графита у облику металног литијума. Процес стајања након завршетка пуњења то доказује и са стране — мало.

Следећа слика приказује фазну структуру негативне графитне електроде након пуњења и након 20 сати. На крају пуњења, фаза негативне графитне електроде је веома различита под две брзине пуњења. На Ц/5, однос ЛиЦ12 у графитној аноди је већи, а проценат ЛиЦ6 је мањи, али након стајања од 20 сати, разлика између њих је постала минимална.

Слика испод приказује промену фазе негативне графитне електроде током 20х процеса складиштења. Са слике се може видети да иако су фазе две супротне електроде и даље веома различите на почетку, како се време складиштења повећава, два типа пуњења. Фаза графитне аноде под увећањем се променила веома близу. ЛиЦ12 може наставити да се претвара у ЛиЦ6 током процеса постављања на полице, што указује да ће Ли наставити да буде уграђен у графит током процеса постављања на полице. Овај део Ли је вероватно метални литијум који је исталожио површину негативне графитне електроде на ниској температури. Даља анализа је показала да је на крају пуњења брзином Ц/30 степен интеркалације литијума негативне графитне електроде био 68%. Ипак, степен интеркалације литијума порастао је на 71% након одлагања, што је повећање од 3%. На крају пуњења брзином Ц/5, степен уметања литијума негативне графитне електроде био је 58%, али након 20 сати, порастао је на 70%, што је укупно повећање од 12%.

Наведено истраживање показује да ће се при пуњењу на ниским температурама капацитет батерије смањити због погоршања кинетичких услова. Такође ће исталожити метал литијум на површини негативне електроде због смањења брзине уметања графитног литијума. Међутим, након периода складиштења, овај део металног литијума може поново да се угради у графит; у стварној употреби, време трајања је често кратко и не постоји гаранција да се сав метални литијум може поново уградити у графит, тако да може проузроковати да нешто металног литијума настави да постоји у негативној електроди. Површина литијум-јонске батерије ће утицати на капацитет литијум-јонске батерије и може произвести литијум дендрите који угрожавају безбедност литијум-јонске батерије. Зато покушајте да избегнете пуњење литијум-јонске батерије на ниским температурама. Ниска струја, и након подешавања, обезбедите довољно времена да се елиминише метални литијум у негативној графитној електроди.

Овај чланак се углавном односи на следеће документе. Извештај се користи само за представљање и преглед сродних научних радова, разредне наставе и научних истраживања. Није за комерцијалну употребу. Ако имате проблема са ауторским правима, слободно нас контактирајте.

1. Способност брзине графитних материјала као негативних електрода у литијум-јонским кондензаторима, Елецтроцхимица Ацта 55 (2010) 3330 - 3335 , СРСиваккумар, ЈИ Неркар, АГ Пандолфо

2. Литијумско облагање у литијум-јонским батеријама истражено релаксацијом напона и ин ситу неутронском дифракцијом, Јоурнал оф Повер Соурцес 342(2017)17-23, Цхристиан вон Лудерс, Вероника Зинтх, Симон В.Ерхард, Патрицк Ј.Оссвалд, Мицхаел Хофман , Ралпх Гиллес, Андреас Јоссен

3. Литијумско облагање у литијум-јонским батеријама на температурама испод амбијенталних испитаних ин ситу неутронском дифракцијом, Јоурнал оф Повер Соурцес 271 (2014) 152-159, Вероника Зинтх, Цхристиан вон Лудерс, Мицхаел Хофманн, Јоханнес Хаттендорфер, Ирмгард Симон Буцхберг Ерхард, Јоана Ребело-Корнмеиер, Андреас Јоссен, Ралпх Гиллес