By hoppt
A lítium-ion akkumulátorok teljesítményét nagymértékben befolyásolják kinetikai jellemzőik. Mivel a Li+-t először deszolvatálni kell, amikor beágyazódik a grafitanyagba, ezért bizonyos mennyiségű energiát kell fogyasztania, és meg kell akadályoznia a Li+ diffúzióját a grafitba. Ellenkezőleg, amikor a grafitanyagból Li+ szabadul fel az oldatba, először a szolvatációs folyamat megy végbe, és a szolvatációs folyamat nem igényel energiafogyasztást. A Li+ gyorsan eltávolítja a grafitot, ami a grafitanyag lényegesen gyengébb töltésfelvételéhez vezet. A mentesítés elfogadhatóságában .
Alacsony hőmérsékleten a negatív grafitelektróda kinetikai jellemzői javultak és romlanak. Ezért a töltési folyamat során a negatív elektróda elektrokémiai polarizációja jelentősen felerősödik, ami könnyen fémes lítium kiválásához vezethet a negatív elektróda felületén. Christian von Lüders, a Müncheni Műszaki Egyetem munkatársa kutatásai kimutatták, hogy -2°C-on a töltési sebesség meghaladja a C/2-t, és jelentősen megnő a fémlítium csapadék mennyisége. Például C/2 sebességnél a lítium bevonat mennyisége a szemben lévő elektróda felületén körülbelül a teljes töltés. A kapacitás 5.5%-a, de 9C nagyítás mellett eléri a 1%-ot. A kicsapódott fémes lítium tovább fejlődhet, és végül lítium-dendritté válhat, áthatolva a membránon, és rövidzárlatot okozva a pozitív és negatív elektródák között. Ezért a lehető legnagyobb mértékben kerülni kell a lítium-ion akkumulátor alacsony hőmérsékleten történő töltését. Amikor az akkumulátort alacsony hőmérsékleten kell tölteni, elengedhetetlen, hogy kis áramerősséget válasszon, hogy a lítium-ion akkumulátort a lehető legjobban töltse, és a töltés után teljesen tárolja a lítium-ion akkumulátort, hogy biztosítsa a fémes lítium kicsapódását a negatív elektródáról. reakcióba léphet a grafittal, és újra beágyazódik a negatív grafitelektródába.
Zinth Veronika és mások, a Müncheni Műszaki Egyetem munkatársai neutrondiffrakciót és más módszereket használtak a lítium-ion akkumulátorok lítiumfejlődési viselkedésének tanulmányozására alacsony, -20°C-os hőmérsékleten. A neutrondiffrakció az utóbbi években új kimutatási módszer volt. Az XRD-hez képest a neutrondiffrakció érzékenyebb a fényelemekre (Li, O, N stb.), így nagyon alkalmas lítium-ion akkumulátorok roncsolásmentes tesztelésére.
A kísérletben VeronikaZinth az NMC111/graphite 18650 akkumulátort használta a lítium-ion akkumulátorok lítiumfejlődési viselkedésének tanulmányozására alacsony hőmérsékleten. Az akkumulátor feltöltése és lemerülése a teszt során az alábbi ábrán látható folyamat szerint történik.
A következő ábra a negatív elektróda fázisváltozását mutatja különböző SoC-k alatt a második töltési ciklus során C/30 sebességű töltés mellett. Úgy tűnik, hogy 30.9%-os SoC-nál a negatív elektróda fázisai főként LiC12, Li1-XC18 és kis mennyiségű LiC6 Összetétel; miután az SoC meghaladja a 46%-ot, a LiC12 diffrakciós intenzitása tovább csökken, míg a LiC6 ereje tovább növekszik. Azonban még a végső töltés befejezése után is, mivel alacsony hőmérsékleten csak 1503 mAh töltődik fel (a kapacitás szobahőmérsékleten 1950 mAh), a negatív elektródában LiC12 található. Tegyük fel, hogy a töltőáram C/100-ra csökken. Ebben az esetben az akkumulátor alacsony hőmérsékleten továbbra is 1950 mAh kapacitást tud elérni, ami azt jelzi, hogy a lítium-ion akkumulátorok teljesítményének alacsony hőmérsékleten történő csökkenése elsősorban a kinetikai feltételek romlásának köszönhető.
Az alábbi ábra a negatív elektródában lévő grafit fázisváltozását mutatja a töltés során a C/5 arány szerint alacsony, -20°C hőmérsékleten. Látható, hogy a grafit fázisváltozása jelentősen eltér a C/30 sebességű töltéstől. Az ábráról látható, hogy amikor SoC>40%, a LiC12 akkumulátor fázisszilárdsága C/5 töltési sebesség mellett lényegesen lassabban csökken, és a LiC6 fáziserősség növekedése is lényegesen gyengébb, mint a C/30-é. töltési arány. Azt mutatja, hogy viszonylag magas C/5 arány mellett kevesebb LiC12 köti be a lítiumot, és alakul LiC6-dá.
Az alábbi ábra a negatív grafitelektróda fázisváltozásait hasonlítja össze C/30, illetve C/5 sebességű töltés esetén. Az ábrán látható, hogy két különböző töltési sebesség esetén a lítiumszegény Li1-XC18 fázis nagyon hasonló. A különbség elsősorban a LiC12 és LiC6 két fázisában mutatkozik meg. Az ábrán látható, hogy a negatív elektródában a fázisváltozási trend viszonylag közel van a töltés kezdeti szakaszában a két töltési sebesség mellett. A LiC12 fázis esetében, amikor a töltési kapacitás eléri a 950 mAh-t (49% SoC), a változó trend kezd másként megjelenni. Amikor 1100 mAh-ról van szó (56.4% SoC), a LiC12 fázis a két nagyítás alatt jelentős rést mutat. Alacsony C/30-as töltésnél a LiC12 fokozat hanyatlása nagyon gyors, de a LiC12 fázis csökkenése C/5 sebességnél sokkal lassabb; vagyis a lítium negatív elektródába történő behelyezésének kinetikai feltételei alacsony hőmérsékleten romlanak. , Annak érdekében, hogy a LiC12 tovább interkalálja a lítiumot a LiC6 előállításához, a fázis sebessége csökkent. Ennek megfelelően a LiC6 fázis nagyon gyorsan növekszik alacsony C/30 sebességnél, de sokkal lassabb C/5 sebességnél. Ez azt mutatja, hogy C/5-ös sebesség mellett több vékony Li van beágyazva a grafit kristályszerkezetébe, de ami érdekes, hogy az akkumulátor töltési kapacitása (1520.5mAh) C/5-ös töltési sebesség mellett nagyobb, mint a C-nél. /30 töltési díj. A teljesítmény (1503.5 mAh) nagyobb. A negatív grafitelektródába nem ágyazott extra Li valószínűleg fémes lítium formájában kicsapódik a grafit felületén. A töltés befejezése utáni állásfolyamat ezt oldalról is bizonyítja – egy kicsit.
A következő ábra a negatív grafitelektróda fázisszerkezetét mutatja töltés után és 20 órás pihentetés után. A töltés végén a negatív grafitelektróda fázisa nagyon eltérő a két töltési sebesség mellett. C/5-nél nagyobb a LiC12 aránya a grafit anódban, és kisebb a LiC6 százalékos aránya, de 20 órás állás után minimális lett a különbség a kettő között.
Az alábbi ábra a negatív grafitelektróda fázisváltozását mutatja a 20 órás tárolási folyamat során. Az ábrán látható, hogy bár a két szemben lévő elektród fázisa kezdetben még nagyon eltérő, a tárolási idő növekedésével a kétféle töltés A grafit anód nagyítás alatti fokozata nagyon közel változott. A LiC12 továbbra is LiC6-tá alakulhat a polcozási folyamat során, ami azt jelzi, hogy a Li továbbra is beágyazódik a grafitba a polcozási folyamat során. A Li ezen része valószínűleg fémes lítium, amely alacsony hőmérsékleten kicsapta a negatív grafitelektróda felületét. A további elemzések azt mutatták, hogy a C/30-as töltés végén a negatív grafitelektróda lítium interkalációja 68% volt. Ennek ellenére a lítium interkaláció mértéke 71%-ra nőtt a polcozás után, ami 3%-os növekedést jelent. A C/5-ös töltés végén a negatív grafitelektróda lítium beillesztési foka 58% volt, de 20 órás pihentetés után 70%-ra nőtt, ami összesen 12%-os növekedést jelent.
A fenti kutatások azt mutatják, hogy alacsony hőmérsékleten történő töltés esetén a kinetikai feltételek romlása miatt csökken az akkumulátor kapacitása. Ezenkívül a lítium fémet kicsapja a negatív elektróda felületén a grafit lítium beillesztési sebességének csökkenése miatt. Azonban egy ideig tárolt, A fémes lítium ezen része ismét beágyazható a grafitba; a tényleges használat során az eltarthatósági idő gyakran rövid, és nincs garancia arra, hogy az összes fém lítium újra beágyazható a grafitba, így előfordulhat, hogy némi fémlítium továbbra is jelen lesz a negatív elektródában. A lítium-ion akkumulátor felülete befolyásolja a lítium-ion akkumulátor kapacitását, és lítium-dendriteket termelhet, amelyek veszélyeztetik a lítium-ion akkumulátor biztonságát. Ezért próbálja elkerülni a lítium-ion akkumulátor alacsony hőmérsékleten történő töltését. Alacsony áramerősség és beállítás után biztosítson elegendő eltarthatósági időt a fém-lítium eltávolításához a negatív grafitelektródában.
Ez a cikk elsősorban a következő dokumentumokra vonatkozik. A jelentés kizárólag a kapcsolódó tudományos munkák, tantermi oktatás és tudományos kutatás bemutatására és áttekintésére szolgál. Nem kereskedelmi használatra. Ha szerzői jogi problémái vannak, forduljon hozzánk bizalommal.
1. Grafit anyagok negatív elektródáinak sebessége lítium-ion kondenzátorokban, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335, SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo
2. Lítium-ionos akkumulátorok lítium bevonása feszültségrelakcióval és in situ neutron diffrakcióval vizsgálva, 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. Lítium bevonat lítium-ion akkumulátorokban környezet alatti hőmérsékleten, in situ neutron diffrakcióval vizsgálva, 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
válaszoljon 6 órán belül, bármilyen kérdést szívesen fogadunk!
