Home / Blog / Industrija / Zima prihaja, oglejte si fenomen nizkotemperaturne analize litij-ionskih baterij

Zima prihaja, oglejte si fenomen nizkotemperaturne analize litij-ionskih baterij

18 okt, 2021

By hoppt

Na zmogljivost litij-ionskih baterij močno vplivajo njihove kinetične lastnosti. Ker je treba Li+ najprej raztopiti, ko je vgrajen v grafitni material, mora porabiti določeno količino energije in ovirati difuzijo Li+ v grafit. Nasprotno, ko se Li+ sprosti iz grafitnega materiala v raztopino, se najprej zgodi solvatacijski proces, proces solvatacije pa ne zahteva porabe energije. Li+ lahko hitro odstrani grafit, kar vodi do bistveno slabšega sprejemanja naboja grafitnega materiala. V sprejemljivosti izpusta.

Pri nizkih temperaturah so se kinetične lastnosti negativne grafitne elektrode izboljšale in poslabšale. Zato se elektrokemična polarizacija negativne elektrode med postopkom polnjenja znatno intenzivira, kar lahko zlahka privede do obarjanja kovinskega litija na površini negativne elektrode. Raziskava Christiana von Lüdersa s Tehnične univerze v Münchnu v Nemčiji je pokazala, da pri -2°C stopnja polnjenja presega C/2, količina padavin kovinskega litija pa se znatno poveča. Na primer, pri hitrosti C/2 je količina litijeve prevleke na nasprotni površini elektrode približno celoten naboj. 5.5 % zmogljivosti, vendar bo dosegel 9 % pri povečavi 1C. Oborjeni kovinski litij se lahko še naprej razvija in sčasoma postane litijev dendriti, ki se prebije skozi diafragmo in povzroči kratek stik pozitivnih in negativnih elektrod. Zato se je treba čim bolj izogibati polnjenju litij-ionske baterije pri nizkih temperaturah. Ko mora baterijo polniti pri nizki temperaturi, je nujno izbrati majhen tok, da se litij-ionska baterija čim bolj napolni in litij-ionska baterija po polnjenju v celoti shrani, da se zagotovi, da se kovinski litij obori iz negativne elektrode. lahko reagira z grafitom in se ponovno vgradi v negativno grafitno elektrodo.

Veronika Zinth in drugi s Tehnične univerze v Münchnu so uporabili nevtronsko difrakcijo in druge metode za preučevanje evolucijskega obnašanja litij-ionskih baterij pri nizki temperaturi -20°C. Nevtronska difrakcija je v zadnjih letih nova metoda odkrivanja. V primerjavi z XRD je nevtronska difrakcija bolj občutljiva na lahke elemente (Li, O, N itd.), zato je zelo primerna za nedestruktivno testiranje litij-ionskih baterij.

V poskusu je VeronikaZinth uporabila baterijo NMC111/grafit 18650 za preučevanje obnašanja litij-ionskih baterij pri nizkih temperaturah pri evoluciji litija. Baterija se med preskusom polni in prazni v skladu s postopkom, prikazanim na spodnji sliki.

Naslednja slika prikazuje fazno spremembo negativne elektrode pod različnimi SoC-ji med drugim ciklom polnjenja pri polnjenju s hitrostjo C/30. Lahko se zdi, da so pri 30.9 % SoC faze negativne elektrode predvsem LiC12, Li1-XC18 in majhna količina LiC6 Sestave; ko SoC preseže 46%, se intenzivnost difrakcije LiC12 še naprej zmanjšuje, medtem ko moč LiC6 še naprej narašča. Vendar tudi po končanem končnem polnjenju, saj se pri nizki temperaturi napolni le 1503mAh (zmogljivost je 1950mAh pri sobni temperaturi), LiC12 obstaja v negativni elektrodi. Recimo, da se polnilni tok zmanjša na C/100. V tem primeru lahko baterija pri nizkih temperaturah še vedno pridobi kapaciteto 1950 mAh, kar kaže, da je zmanjšanje moči litij-ionskih baterij pri nizkih temperaturah predvsem posledica poslabšanja kinetičnih razmer.

Spodnja slika prikazuje fazno spremembo grafita v negativni elektrodi med polnjenjem po stopnji C/5 pri nizki temperaturi -20°C. Vidi se, da je fazna sprememba grafita bistveno drugačna v primerjavi s polnjenjem C/30. Iz slike je razvidno, da se pri SoC>40 % fazna moč baterije LiC12 pri hitrosti polnjenja C/5 zmanjšuje bistveno počasneje, povečanje fazne jakosti LiC6 pa je tudi bistveno šibkejše kot pri C/30. stopnja zaračunavanja. Kaže, da pri razmeroma visoki stopnji C/5 manj LiC12 še naprej interkalira litij in se pretvori v LiC6.

Spodnja slika primerja fazne spremembe negativne grafitne elektrode pri polnjenju s hitrostjo C/30 oziroma C/5. Slika prikazuje, da je pri dveh različnih stopnjah polnjenja faza Li1-XC18, revna z litijem, zelo podobna. Razlika se kaže predvsem v dveh fazah LiC12 in LiC6. Iz slike je razvidno, da je trend fazne spremembe v negativni elektrodi v začetni fazi polnjenja pri obeh stopnjah polnjenja relativno blizu. Za fazo LiC12, ko zmogljivost polnjenja doseže 950 mAh (49 % SoC), se trend spreminjanja začne videti drugače. Ko gre za 1100 mAh (56.4 % SoC), faza LiC12 pod obema povečavama začne kazati znatno vrzel. Pri polnjenju z nizko hitrostjo C/30 je upad stopnje LiC12 zelo hiter, vendar je padec faze LiC12 pri hitrosti C/5 veliko počasnejši; to pomeni, da se kinetični pogoji vstavljanja litija v negativno elektrodo pri nizkih temperaturah poslabšajo. , Tako da LiC12 dodatno interkalira litij, da ustvari LiC6 fazna hitrost se je zmanjšala. Ustrezno temu se faza LiC6 zelo hitro poveča pri nizki hitrosti C/30, vendar je veliko počasnejša pri hitrosti C/5. To kaže, da je pri stopnji C/5 v kristalno strukturo grafita vgrajeno več drobnega Li, zanimivo pa je, da je zmogljivost polnjenja baterije (1520.5 mAh) pri stopnji polnjenja C/5 višja kot pri C/30. /1503.5 stopnja polnjenja. Moč (XNUMX mAh) je večja. Dodatni Li, ki ni vgrajen v negativno grafitno elektrodo, bo verjetno oborjen na površini grafita v obliki kovinskega litija. Stanje po koncu polnjenja to dokazuje tudi s strani — malo.

Naslednja slika prikazuje fazno strukturo negativne grafitne elektrode po polnjenju in po 20 urah. Na koncu polnjenja je faza negativne grafitne elektrode zelo različna pri obeh stopnjah polnjenja. Pri C/5 je razmerje LiC12 v grafitni anodi višje, odstotek LiC6 pa nižji, vendar je po 20-urnem stajanju razlika med obema postala minimalna.

Spodnja slika prikazuje fazno spremembo negativne grafitne elektrode med 20-urnim postopkom shranjevanja. Iz slike je razvidno, da čeprav sta si fazi dveh nasprotnih elektrod na začetku še vedno zelo različni, se s podaljševanjem časa shranjevanja obe vrsti polnjenja Stopnja grafitne anode pod povečavo zelo blizu spreminja. LiC12 se lahko še naprej pretvarja v LiC6 med postopkom odlaganja, kar kaže, da bo Li med postopkom odlaganja še naprej vgrajen v grafit. Ta del Li je verjetno kovinski litij, ki je oborjen na površini negativne grafitne elektrode pri nizki temperaturi. Nadaljnja analiza je pokazala, da je bila ob koncu polnjenja s hitrostjo C/30 stopnja interkalacije litija negativne grafitne elektrode 68 %. Kljub temu se je stopnja interkalacije litija po odlaganju povečala na 71 %, kar je 3 %. Na koncu polnjenja s hitrostjo C/5 je bila stopnja vstavitve litija negativne grafitne elektrode 58 %, po 20 urah pa se je povečala na 70 %, skupno povečanje za 12 %.

Zgornje raziskave kažejo, da se bo pri polnjenju pri nizkih temperaturah zmogljivost baterije zmanjšala zaradi poslabšanja kinetičnih pogojev. Prav tako bo oborilo kovino litij na površini negativne elektrode zaradi zmanjšanja stopnje vstavljanja litija grafita. Vendar se lahko po določenem obdobju skladiščenja ta del kovinskega litija ponovno vgradi v grafit; pri dejanski uporabi je rok uporabnosti pogosto kratek in ni zagotovila, da se lahko ves kovinski litij ponovno vgradi v grafit, tako da lahko povzroči, da nekaj kovinskega litija še naprej obstaja v negativni elektrodi. Površina litij-ionske baterije vpliva na zmogljivost litij-ionske baterije in lahko povzroči litijeve dendrite, ki ogrožajo varnost litij-ionske baterije. Zato se izogibajte polnjenju litij-ionske baterije pri nizkih temperaturah. Nizek tok in po nastavitvi zagotovite dovolj časa, da odstranite kovinski litij v negativni grafitni elektrodi.

Ta članek se v glavnem nanaša na naslednje dokumente. Poročilo se uporablja samo za uvajanje in pregled povezanih znanstvenih del, poučevanja v razredu in znanstvenih raziskav. Ni za komercialno uporabo. Če imate težave z avtorskimi pravicami, nas kontaktirajte.

1. Zmogljivost grafitnih materialov kot negativnih elektrod v litij-ionskih kondenzatorjih, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2. Litijeva prevleka v litij-ionskih baterijah, raziskana z relaksacijo napetosti in in situ nevtronsko difrakcijo, 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. Litijeva prevleka v litij-ionskih baterijah pri temperaturah pod okoljskimi, raziskanimi z in situ nevtronsko difrakcijo, Journal of Power Sources 271 (2014) 152-159, Veronika Zinth, Christian von Lüders, Michael Hofmann, Johannes Hattendorff, Irmgard Simon, Irmgard Erhard, Joana Rebelo-Kornmeier, Andreas Jossen, Ralph Gilles

close_white
Zapri

Tukaj napišite povpraševanje

odgovorite v 6 urah, vsa vprašanja so dobrodošla!

    [razred^="wpforms-"]
    [razred^="wpforms-"]