الشتاء قادم ، انظر إلى ظاهرة تحليل درجات الحرارة المنخفضة لبطاريات الليثيوم أيون

يتأثر أداء بطاريات الليثيوم أيون بشكل كبير بخصائصها الحركية. نظرًا لأن Li + يحتاج إلى إزالة الذوبان أولاً عندما يتم تضمينه في مادة الجرافيت ، فإنه يحتاج إلى استهلاك قدر معين من الطاقة وإعاقة انتشار Li + في الجرافيت. على العكس من ذلك ، عندما يتم إطلاق Li + من مادة الجرافيت إلى المحلول ، ستحدث عملية الذوبان أولاً ، ولا تتطلب عملية الذوبان استهلاك الطاقة. يمكن لـ Li + إزالة الجرافيت بسرعة ، مما يؤدي إلى قبول شحن أضعف بكثير لمواد الجرافيت. في قبول التفريغ.

في درجات الحرارة المنخفضة ، تحسنت الخصائص الحركية لقطب الجرافيت السالب وأصبحت أسوأ. لذلك ، يتم تكثيف الاستقطاب الكهروكيميائي للقطب السالب بشكل كبير أثناء عملية الشحن ، مما قد يؤدي بسهولة إلى ترسيب الليثيوم المعدني على سطح القطب السالب. أظهر البحث الذي أجراه كريستيان فون لودرز من جامعة ميونيخ التقنية بألمانيا أنه عند -2 درجة مئوية ، يتجاوز معدل الشحن C / 2 ، وأن كمية ترسيب الليثيوم المعدني تزداد بشكل كبير. على سبيل المثال ، عند معدل C / 2 ، تكون كمية طلاء الليثيوم على سطح القطب المعاكس حوالي الشحنة الكاملة. 5.5٪ من السعة ولكنها ستصل إلى 9٪ تحت تكبير 1C. قد يتطور الليثيوم المعدني المترسب بشكل أكبر ويصبح في النهاية تشعبات الليثيوم ، يخترق الحجاب الحاجز ويسبب قصرًا في الدائرة الكهربية الموجبة والسالبة. لذلك ، من الضروري تجنب شحن بطارية الليثيوم أيون في درجات حرارة منخفضة قدر الإمكان. عندما يجب شحن البطارية عند درجة حرارة منخفضة ، من الضروري تحديد تيار صغير لشحن بطارية الليثيوم أيون قدر الإمكان وتخزين بطارية الليثيوم أيون بالكامل بعد الشحن لضمان ترسيب الليثيوم المعدني من القطب السالب يمكن أن يتفاعل مع الجرافيت ويعاد تضمينه في قطب الجرافيت السالب.

استخدمت فيرونيكا زينث وآخرون من جامعة ميونيخ التقنية حيود النيوترونات وطرقًا أخرى لدراسة سلوك تطور الليثيوم لبطاريات الليثيوم أيون عند درجة حرارة منخفضة تصل إلى -20 درجة مئوية. كان حيود النيوترونات طريقة جديدة للكشف في السنوات الأخيرة. مقارنةً بـ XRD ، يكون حيود النيوترون أكثر حساسية لعناصر الضوء (Li ، O ، N ، إلخ) ، لذا فهو مناسب جدًا للاختبار غير المدمر لبطاريات الليثيوم أيون.

في التجربة ، استخدمت VeronikaZinth بطارية NMC111 / الجرافيت 18650 لدراسة سلوك تطور الليثيوم لبطاريات الليثيوم أيون في درجات حرارة منخفضة. يتم شحن البطارية وتفريغ شحنها أثناء الاختبار وفقًا للعملية الموضحة في الشكل أدناه.

يوضح الشكل التالي تغيير الطور للقطب السالب تحت SoCs المختلفة خلال دورة الشحن الثانية عند شحن معدل C / 30. يمكن أن يبدو أنه عند 30.9٪ SoC ، تكون مراحل القطب السالب هي LiC12 و Li1-XC18 وكمية صغيرة من تكوين LiC6 ؛ بعد تجاوز SoC 46٪ ، تستمر كثافة حيود LiC12 في الانخفاض ، بينما تستمر قوة LiC6 في الزيادة. ومع ذلك ، حتى بعد اكتمال الشحن النهائي ، حيث يتم شحن 1503 مللي أمبير فقط في درجة حرارة منخفضة (السعة هي 1950 مللي أمبير في درجة حرارة الغرفة) ، يوجد LiC12 في القطب السالب. لنفترض أن تيار الشحن قد انخفض إلى C / 100. في هذه الحالة ، لا يزال بإمكان البطارية الحصول على سعة 1950 مللي أمبير في درجات حرارة منخفضة ، مما يشير إلى أن الانخفاض في طاقة بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة يرجع أساسًا إلى تدهور الظروف الحركية.

يوضح الشكل أدناه تغير طور الجرافيت في القطب السالب أثناء الشحن وفقًا لمعدل C / 5 عند درجة حرارة منخفضة تبلغ -20 درجة مئوية. يمكن أن ترى أن تغيير طور الجرافيت يختلف اختلافًا كبيرًا مقارنةً بشحن معدل C / 30. يمكن أن نرى من الشكل أنه عندما تكون SoC> 40٪ ، تقل قوة طور البطارية LiC12 تحت معدل شحن C / 5 بشكل أبطأ ، كما أن زيادة قوة المرحلة LiC6 تكون أضعف بكثير من C / 30 نسبة الرسوم. يُظهر أنه عند معدل مرتفع نسبيًا من C / 5 ، يستمر القليل من LiC12 في إقحام الليثيوم ويتم تحويله إلى LiC6.

يقارن الشكل أدناه التغيرات الطورية لقطب الجرافيت السالب عند الشحن بمعدلات C / 30 و C / 5 ، على التوالي. يوضح الشكل أنه بالنسبة لمعدلي شحن مختلفين ، فإن مرحلة الليثيوم الفقيرة Li1-XC18 متشابهة جدًا. ينعكس الاختلاف بشكل أساسي في مرحلتي LiC12 و LiC6. يمكن أن نرى من الشكل أن اتجاه تغيير الطور في القطب السالب قريب نسبيًا في المرحلة الأولى من الشحن تحت معدلات الشحن اثنين. بالنسبة لمرحلة LiC12 ، عندما تصل سعة الشحن إلى 950 مللي أمبير (49٪ SoC) ، يبدأ الاتجاه المتغير في الظهور بشكل مختلف. عندما يتعلق الأمر بـ 1100mAh (56.4٪ SoC) ، تبدأ مرحلة LiC12 تحت التكبير في إظهار فجوة كبيرة. عند الشحن بمعدل منخفض C / 30 ، يكون انخفاض مرحلة LiC12 سريعًا جدًا ، لكن انخفاض مرحلة LiC12 عند معدل C / 5 يكون أبطأ بكثير ؛ وهذا يعني أن الظروف الحركية لإدخال الليثيوم في القطب السالب تتدهور عند درجات الحرارة المنخفضة. ، بحيث أن LiC12 يقحم الليثيوم بشكل إضافي لتوليد سرعة طور LiC6 انخفض. في المقابل ، تزداد مرحلة LiC6 بسرعة كبيرة بمعدل منخفض C / 30 ولكنه أبطأ بكثير بمعدل C / 5. يوضح هذا أنه عند معدل C / 5 ، يتم تضمين المزيد من Li الصغير في التركيب البلوري للجرافيت ، ولكن المثير للاهتمام هو أن سعة شحن البطارية (1520.5 مللي أمبير في الساعة) عند معدل شحن C / 5 أعلى من تلك الموجودة في C / 30 معدل شحن. القوة (1503.5 مللي أمبير) أعلى. من المحتمل أن يترسب الليثيوم الإضافي غير المضمن في قطب الجرافيت السالب على سطح الجرافيت في شكل الليثيوم المعدني. عملية الوقوف بعد نهاية الشحن تثبت ذلك أيضًا من الجانب - قليلاً.

يوضح الشكل التالي هيكل الطور لقطب الجرافيت السالب بعد الشحن وبعد تركه لمدة 20 ساعة. في نهاية الشحن ، تختلف مرحلة القطب السالب من الجرافيت اختلافًا كبيرًا في ظل معدلي الشحن. عند C / 5 ، تكون نسبة LiC12 في أنود الجرافيت أعلى ، ونسبة LiC6 أقل ، ولكن بعد الوقوف لمدة 20 ساعة ، أصبح الفرق بين الاثنين ضئيلًا.

يوضح الشكل أدناه تغير الطور في قطب الجرافيت السالب أثناء عملية التخزين لمدة 20 ساعة. يمكن أن نرى من الشكل أنه على الرغم من أن مراحل القطبين المتعارضين لا تزال مختلفة تمامًا في البداية ، مع زيادة وقت التخزين ، فإن نوعي الشحن قد تغيرت مرحلة أنود الجرافيت تحت التكبير قريبًا جدًا. يمكن الاستمرار في تحويل LiC12 إلى LiC6 أثناء عملية الرفوف ، مما يشير إلى أن Li سيستمر في الاندماج في الجرافيت أثناء عملية الرفوف. من المحتمل أن يكون هذا الجزء من Li عبارة عن ليثيوم معدني ترسب سطح قطب الجرافيت السالب عند درجة حرارة منخفضة. أظهر تحليل إضافي أنه في نهاية الشحن بمعدل C / 30 ، كانت درجة إقحام الليثيوم لقطب الجرافيت السالب 68٪. ومع ذلك ، زادت درجة إقحام الليثيوم إلى 71٪ بعد الرفوف ، بزيادة قدرها 3٪. في نهاية الشحن بمعدل C / 5 ، كانت درجة إدخال الليثيوم في قطب الجرافيت السالب 58٪ ، ولكن بعد تركه لمدة 20 ساعة ، زادت إلى 70٪ ، بزيادة إجمالية قدرها 12٪.

يُظهر البحث أعلاه أنه عند الشحن في درجات حرارة منخفضة ، ستنخفض سعة البطارية بسبب تدهور الظروف الحركية. سيؤدي أيضًا إلى تعجيل معدن الليثيوم على سطح القطب السالب بسبب انخفاض معدل إدخال الليثيوم في الجرافيت. ومع ذلك ، بعد فترة من التخزين ، يمكن دمج هذا الجزء من الليثيوم المعدني في الجرافيت مرة أخرى ؛ في الاستخدام الفعلي ، غالبًا ما يكون وقت الرف قصيرًا ، وليس هناك ما يضمن إمكانية دمج الليثيوم المعدني بالكامل في الجرافيت مرة أخرى ، لذلك قد يتسبب في استمرار وجود بعض الليثيوم المعدني في القطب السالب. سيؤثر سطح بطارية الليثيوم أيون على سعة بطارية الليثيوم أيون وقد ينتج تشعبات الليثيوم التي تعرض سلامة بطارية الليثيوم أيون للخطر. لذلك ، حاول تجنب شحن بطارية الليثيوم أيون في درجات حرارة منخفضة. تيار منخفض ، وبعد الضبط ، تأكد من وقت كافٍ للتخلص من الليثيوم المعدني في قطب الجرافيت السالب.

تشير هذه المقالة بشكل أساسي إلى المستندات التالية. يستخدم التقرير فقط لتقديم ومراجعة الأعمال العلمية ذات الصلة ، والتدريس في الفصول الدراسية ، والبحث العلمي. ليس للاستخدام التجاري. إذا كانت لديك أية مشكلات متعلقة بحقوق النشر ، فلا تتردد في الاتصال بنا.

1.مقدرة تصنيف مواد الجرافيت كأقطاب كهربائية سالبة في مكثفات أيونات الليثيوم ، Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 ، SRSivakkumar ، JY Nerkar ، AG Pandolfo

2-طلاء الليثيوم في بطاريات الليثيوم أيون التي تم فحصها عن طريق استرخاء الجهد وانحراف النيوترون في الموقع ، مجلة مصادر الطاقة 342 (2017) 17-23 ، كريستيان فون لودرس ، فيرونيكا زينث ، سيمون في إيرهارد ، باتريك جيه أوزوالد ، مايكل هوفمان ، رالف جيل ، أندرياس جوسين

3.طلاء الليثيوم في بطاريات الليثيوم أيون في درجات حرارة دون المحيط التي تم فحصها بواسطة حيود النيوترون في الموقع ، مجلة مصادر الطاقة 271 (2014) 152-159 ، فيرونيكا زينث ، كريستيان فون لودرز ، مايكل هوفمان ، يوهانس هاتندورف ، إيرمجارد بوخبيرجر ، سيمون إرهارد ، جوانا ريبيلو كورنماير ، أندرياس جوسين ، رالف جيلز