Home / Blogs / Rūpniecība / Ziema nāk, apskatiet litija jonu akumulatoru zemas temperatūras analīzes fenomenu

Ziema nāk, apskatiet litija jonu akumulatoru zemas temperatūras analīzes fenomenu

18 oktobris, 2021

By hoppt

Litija jonu akumulatoru veiktspēju lielā mērā ietekmē to kinētiskās īpašības. Tā kā Li + vispirms ir jāatdala, kad tas ir iestrādāts grafīta materiālā, tam ir jāpatērē noteikts enerģijas daudzums un jāaizkavē Li + difūzija grafītā. Gluži pretēji, kad Li + tiek atbrīvots no grafīta materiāla šķīdumā, vispirms notiks šķīdināšanas process, un šķīdināšanas process neprasa enerģijas patēriņu. Li + var ātri noņemt grafītu, kas izraisa ievērojami sliktāku grafīta materiāla lādiņa uzņemšanu. Izlādes pieņemamībā.

Zemās temperatūrās negatīvā grafīta elektroda kinētiskās īpašības ir uzlabojušās un pasliktinājušās. Tāpēc uzlādes procesā tiek ievērojami pastiprināta negatīvā elektroda elektroķīmiskā polarizācija, kas var viegli novest pie metāliskā litija nogulsnēšanās uz negatīvā elektroda virsmas. Kristiana fon Lüdersa no Minhenes Tehniskās universitātes (Vācija) pētījumi ir parādījuši, ka pie -2°C uzlādes ātrums pārsniedz C/2, un ievērojami palielinās metāla litija nokrišņu daudzums. Piemēram, pie C/2 ātruma litija pārklājuma daudzums uz pretējās elektroda virsmas ir aptuveni viss lādiņš. 5.5% no jaudas, bet sasniegs 9% ar 1C palielinājumu. Izgulsnētais metāliskais litijs var attīstīties tālāk un galu galā kļūt par litija dendritiem, izurbjoties cauri diafragmai un izraisot pozitīvā un negatīvā elektroda īssavienojumu. Tāpēc ir nepieciešams pēc iespējas izvairīties no litija jonu akumulatora uzlādes zemā temperatūrā. Ja akumulators jāuzlādē zemā temperatūrā, ir svarīgi izvēlēties mazu strāvu, lai pēc iespējas uzlādētu litija jonu akumulatoru, un pilnībā uzglabāt litija jonu akumulatoru pēc uzlādes, lai nodrošinātu metāliskā litija nogulsnēšanos no negatīvā elektroda. var reaģēt ar grafītu un atkārtoti iestrādāts negatīvajā grafīta elektrodā.

Veronika Zinth un citi no Minhenes Tehniskās universitātes izmantoja neitronu difrakciju un citas metodes, lai pētītu litija jonu akumulatoru litija evolūcijas uzvedību zemā -20 °C temperatūrā. Neitronu difrakcija pēdējos gados ir bijusi jauna noteikšanas metode. Salīdzinot ar XRD, neitronu difrakcija ir jutīgāka pret gaismas elementiem (Li, O, N utt.), tāpēc tā ir ļoti piemērota litija jonu akumulatoru nesagraujošai pārbaudei.

Eksperimentā VeronikaZinth izmantoja akumulatoru NMC111/graphite 18650, lai pētītu litija jonu akumulatoru litija evolūcijas uzvedību zemā temperatūrā. Testa laikā akumulators tiek uzlādēts un izlādēts saskaņā ar procesu, kas parādīts attēlā zemāk.

Nākamajā attēlā parādīta negatīvā elektroda fāzes maiņa dažādos SoC otrā uzlādes cikla laikā ar C/30 uzlādes ātrumu. Var šķist, ka pie 30.9% SoC negatīvā elektroda fāzes galvenokārt ir LiC12, Li1-XC18 un neliels daudzums LiC6 Sastāvs; pēc tam, kad SoC pārsniedz 46%, LiC12 difrakcijas intensitāte turpina samazināties, bet LiC6 jauda turpina palielināties. Tomēr pat pēc pēdējās uzlādes pabeigšanas, jo zemā temperatūrā tiek uzlādēts tikai 1503 mAh (kapacitāte ir 1950 mAh istabas temperatūrā), negatīvajā elektrodā ir LiC12. Pieņemsim, ka uzlādes strāva ir samazināta līdz C/100. Tādā gadījumā akumulators joprojām var iegūt 1950mAh jaudu zemā temperatūrā, kas liecina, ka litija jonu akumulatoru jaudas samazināšanās zemā temperatūrā galvenokārt ir saistīta ar kinētisko apstākļu pasliktināšanos.

Zemāk esošajā attēlā parādīta grafīta fāzes maiņa negatīvajā elektrodā uzlādes laikā atbilstoši C/5 ātrumam pie zemas -20°C temperatūras. Var redzēt, ka grafīta fāzes maiņa ievērojami atšķiras no C / 30 ātruma uzlādes. No attēla redzams, ka tad, kad SoC>40%, akumulatora LiC12 fāzes stiprums zem C/5 uzlādes ātruma samazinās ievērojami lēnāk, un arī LiC6 fāzes stipruma pieaugums ir ievērojami vājāks nekā C/30. maksas likme. Tas parāda, ka ar salīdzinoši augstu ātrumu C/5 mazāk LiC12 turpina interkalēt litiju un tiek pārveidots par LiC6.

Zemāk esošajā attēlā ir salīdzinātas negatīvā grafīta elektroda fāzes izmaiņas, uzlādējot attiecīgi ar C/30 un C/5 ātrumu. Attēlā parādīts, ka diviem dažādiem uzlādes ātrumiem fāze ar nabadzīgo litiju Li1-XC18 ir ļoti līdzīga. Atšķirība galvenokārt atspoguļojas divās LiC12 un LiC6 fāzēs. No attēla var redzēt, ka fāzes izmaiņu tendence negatīvajā elektrodā ir relatīvi tuvu sākotnējā uzlādes posmā ar diviem uzlādes ātrumiem. LiC12 fāzei, kad uzlādes jauda sasniedz 950 mAh (49% SoC), mainīgā tendence sāk parādīties savādāk. Kad runa ir par 1100 mAh (56.4% SoC), LiC12 fāze ar diviem palielinājumiem sāk parādīt ievērojamu atstarpi. Uzlādējot ar zemu ātrumu C/30, LiC12 posma lejupslīde notiek ļoti ātri, bet LiC12 fāzes kritums pie C/5 ātruma ir daudz lēnāks; tas ir, litija ievietošanas kinētiskie apstākļi negatīvajā elektrodā pasliktinās zemās temperatūrās. , Lai LiC12 tālāk interkalētu litiju, lai radītu LiC6 fāzes ātrums samazinājās. Attiecīgi LiC6 fāze palielinās ļoti ātri ar zemu ātrumu C/30, bet daudz lēnāk ar ātrumu C/5. Tas parāda, ka pie C/5 ātruma grafīta kristāliskajā struktūrā ir iestrādāts vairāk sīka Li, taču interesanti ir tas, ka akumulatora uzlādes jauda (1520.5 mAh) pie C/5 uzlādes ātruma ir augstāka nekā C/30. /1503.5 uzlādes likme. Jauda (XNUMX mAh) ir lielāka. Papildu Li, kas nav iestrādāts negatīvajā grafīta elektrodā, visticamāk, tiks nogulsnēts uz grafīta virsmas metāliska litija veidā. Arī stāvēšanas process pēc uzlādes beigām to pierāda no malas — nedaudz.

Nākamajā attēlā parādīta negatīvā grafīta elektroda fāzes struktūra pēc uzlādes un pēc 20 stundu ilgas atstāšanas. Uzlādes beigās negatīvā grafīta elektroda fāze ir ļoti atšķirīga saskaņā ar diviem uzlādes ātrumiem. Pie C/5 LiC12 attiecība grafīta anodā ir lielāka, un LiC6 procentuālais daudzums ir mazāks, bet pēc 20 stundu nostāvēšanas starpība starp šiem diviem ir kļuvusi minimāla.

Zemāk esošajā attēlā parādīta negatīvā grafīta elektroda fāzes maiņa 20 stundu uzglabāšanas procesa laikā. No attēla var redzēt, ka, lai gan sākumā abu pretējo elektrodu fāzes joprojām ir ļoti atšķirīgas, palielinoties uzglabāšanas laikam, divi uzlādes veidi Grafīta anoda pakāpe palielinājumā ir mainījusies ļoti tuvu. LiC12 var turpināt pārveidot par LiC6 plauktu procesa laikā, kas norāda, ka Li turpinās iestrādāt grafītā plauktu procesa laikā. Šī Li daļa, visticamāk, ir metālisks litijs, kas zemā temperatūrā izgulsnēja negatīvā grafīta elektroda virsmu. Papildu analīze parādīja, ka uzlādes beigās ar C/30 ātrumu negatīvā grafīta elektroda litija interkalācijas pakāpe bija 68%. Tomēr litija interkalācijas pakāpe pēc nolikšanas plauktos palielinājās līdz 71%, kas ir pieaugums par 3%. Uzlādes beigās ar C/5 ātrumu negatīvā grafīta elektroda litija ievietošanas pakāpe bija 58%, bet pēc 20 stundu ilgas atstāšanas tā palielinājās līdz 70%, kopējais pieaugums ir 12%.

Iepriekš minētie pētījumi liecina, ka, uzlādējot zemā temperatūrā, akumulatora kapacitāte samazināsies kinētisko apstākļu pasliktināšanās dēļ. Tas arī nogulsnēs litija metālu uz negatīvā elektroda virsmas, jo samazinās grafīta litija ievietošanas ātrums. Tomēr pēc uzglabāšanas perioda Šo metāliskā litija daļu var atkal iestrādāt grafītā; reālajā lietošanā glabāšanas laiks bieži ir īss, un nav garantijas, ka visu metālisko litiju var atkal iestrādāt grafītā, tāpēc tas var izraisīt metāla litija klātbūtni negatīvajā elektrodā. Litija jonu akumulatora virsma ietekmēs litija jonu akumulatora jaudu un var radīt litija dendrītus, kas apdraud litija jonu akumulatora drošību. Tāpēc mēģiniet izvairīties no litija jonu akumulatora uzlādes zemā temperatūrā. Zema strāva un pēc iestatīšanas nodrošiniet pietiekamu glabāšanas laiku, lai likvidētu metāla litiju negatīvajā grafīta elektrodā.

Šis raksts galvenokārt attiecas uz šādiem dokumentiem. Pārskats tiek izmantots tikai, lai iepazīstinātu un pārskatītu saistītos zinātniskos darbus, apmācību klasē un zinātniskos pētījumus. Nav paredzēts komerciālai lietošanai. Ja jums ir kādas autortiesību problēmas, lūdzu, sazinieties ar mums.

1. Grafīta materiālu kā negatīvo elektrodu spēja litija jonu kondensatoros, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335, SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2. Litija pārklāšana litija jonu akumulatoros, pētīta ar sprieguma relaksāciju un neitronu difrakciju in situ, Journal of Power Sources 342(2017)17-23, Kristians fon Līderss, Veronika Zinte, Saimons V.Erhards, Patriks J.Osvalds, Maikls Hofmans , Ralfs Žils, Andreass Jossens

3. Litija apšuvums litija jonu akumulatoros pie apkārtējās vides temperatūras, kas pētīta ar in situ neitronu difrakciju, Journal of Power Sources 271 (2014) 152-159, Veronika Zinth, Christian von Lüders, Michael Hofmann, Johannes Hattendorff, Irmgard Buchberger, Simon Erhards, Džoana Rebelo-Kornmeiere, Andreass Josens, Ralfs Žils

tuvu_balts
aizvērt

Uzrakstiet pieprasījumu šeit

atbildiet 6 stundu laikā, visi jautājumi ir laipni gaidīti!

    en English
    X
    [class^="wpforms-"]
    [class^="wpforms-"]