Zima dolazi, pogledajte fenomen analize niske temperature litijum-jonskih baterija

Na performanse litijum-jonskih baterija u velikoj meri utiču njihove kinetičke karakteristike. Budući da se Li+ prvo treba desolvatirati kada je ugrađen u grafitni materijal, on treba da potroši određenu količinu energije i ometa difuziju Li+ u grafit. Naprotiv, kada se Li+ oslobodi iz grafitnog materijala u otopinu, prvo će nastupiti proces solvatacije, a proces solvatacije ne zahtijeva potrošnju energije. Li+ može brzo ukloniti grafit, što dovodi do znatno slabijeg prihvatanja naboja grafitnog materijala. U prihvatljivosti pražnjenja.

Na niskim temperaturama, kinetičke karakteristike negativne grafitne elektrode su se poboljšale i pogoršale. Zbog toga se elektrohemijska polarizacija negativne elektrode značajno pojačava tokom procesa punjenja, što lako može dovesti do taloženja metalnog litijuma na površini negativne elektrode. Istraživanje Christiana von Lüdersa sa Tehničkog univerziteta u Minhenu, Njemačka, pokazalo je da na -2°C brzina punjenja prelazi C/2, a količina precipitacije metalnog litijuma je značajno povećana. Na primjer, pri brzini C/2, količina litijumske prevlake na površini suprotne elektrode iznosi otprilike cijelo punjenje. 5.5% kapaciteta, ali će dostići 9% pod povećanjem od 1C. Taloženi metalni litijum može se dalje razvijati i na kraju postati litijum dendriti, probijajući se kroz dijafragmu i izazivajući kratki spoj pozitivnih i negativnih elektroda. Stoga je potrebno što je moguće više izbjegavati punjenje litijum-jonske baterije na niskim temperaturama. Kada se baterija mora puniti na niskoj temperaturi, bitno je odabrati malu struju za punjenje litijum-jonske baterije što je više moguće i potpuno pohraniti litijum-jonsku bateriju nakon punjenja kako bi se osiguralo da se metalni litijum istaloži iz negativne elektrode može reagirati s grafitom i ponovo se ugraditi u negativnu grafitnu elektrodu.

Veronika Zinth i drugi sa Tehničkog univerziteta u Minhenu koristili su neutronsku difrakciju i druge metode za proučavanje evolucionog ponašanja litijum-jonskih baterija na niskoj temperaturi od -20°C. Neutronska difrakcija je nova metoda detekcije posljednjih godina. U poređenju sa XRD, neutronska difrakcija je osetljivija na lake elemente (Li, O, N, itd.), pa je veoma pogodna za nerazorno ispitivanje litijum-jonskih baterija.

U eksperimentu je VeronikaZinth koristila bateriju NMC111/grafit 18650 za proučavanje ponašanja litijum-jonskih baterija pri niskim temperaturama. Baterija se puni i prazni tokom testa prema postupku prikazanom na donjoj slici.

Sljedeća slika prikazuje promjenu faze negativne elektrode pod različitim SoC-ovima tokom drugog ciklusa punjenja pri punjenju C/30. Može se činiti da su pri 30.9% SoC faze negativne elektrode uglavnom LiC12, Li1-XC18 i mala količina LiC6 sastava; nakon što SoC pređe 46%, intenzitet difrakcije LiC12 nastavlja da opada, dok snaga LiC6 nastavlja da raste. Međutim, čak i nakon što je konačno punjenje završeno, budući da se samo 1503mAh puni na niskoj temperaturi (kapacitet je 1950mAh na sobnoj temperaturi), LiC12 postoji u negativnoj elektrodi. Pretpostavimo da je struja punjenja smanjena na C/100. U tom slučaju baterija i dalje može dobiti kapacitet od 1950mAh na niskim temperaturama, što ukazuje da je smanjenje snage litijum-jonskih baterija na niskim temperaturama uglavnom posljedica pogoršanja kinetičkih uvjeta.

Slika ispod prikazuje faznu promjenu grafita u negativnoj elektrodi tokom punjenja prema stopi C/5 na niskoj temperaturi od -20°C. Može se vidjeti da je fazna promjena grafita značajno drugačija u odnosu na punjenje C/30. Iz slike se može vidjeti da kada je SoC>40%, fazna jačina baterije LiC12 pri C/5 stopi punjenja opada značajno sporije, a povećanje jačine faze LiC6 je također znatno slabije od one kod C/30. stopa naplate. Pokazuje da pri relativno visokoj stopi od C/5, manje LiC12 nastavlja da interkalira litijum i pretvara se u LiC6.

Slika ispod upoređuje fazne promjene negativne grafitne elektrode pri punjenju pri C/30 i C/5 stopama, respektivno. Slika pokazuje da je za dvije različite brzine punjenja faza Li1-XC18 siromašna litijumom vrlo slična. Razlika se uglavnom ogleda u dvije faze LiC12 i LiC6. Iz slike se može vidjeti da je trend promjene faze u negativnoj elektrodi relativno blizak u početnoj fazi punjenja pod dvije brzine punjenja. Za LiC12 fazu, kada kapacitet punjenja dostigne 950mAh (49% SoC), trend promjene počinje izgledati drugačije. Kada je u pitanju 1100mAh (56.4% SoC), faza LiC12 pod dva povećanja počinje da pokazuje značajan jaz. Prilikom punjenja pri niskoj stopi od C/30, opadanje LiC12 faze je vrlo brzo, ali je opadanje LiC12 faze pri C/5 stopi mnogo sporije; to jest, kinetički uslovi umetanja litijuma u negativnu elektrodu pogoršavaju se na niskim temperaturama. , Tako da LiC12 dalje interkalira litijum da bi stvorio LiC6 faznu brzinu smanjena. Shodno tome, faza LiC6 raste veoma brzo pri niskoj stopi od C/30, ali je mnogo sporija pri stopi od C/5. Ovo pokazuje da je pri C/5 stopi više sitnog Li ugrađeno u kristalnu strukturu grafita, ali ono što je zanimljivo je da je kapacitet punjenja baterije (1520.5 mAh) pri C/5 stopi punjenja veći od onog pri C/30 /1503.5 stopa naplate. Snaga (XNUMXmAh) je veća. Dodatni Li koji nije ugrađen u negativnu grafitnu elektrodu vjerovatno će se istaložiti na površini grafita u obliku metalnog litijuma. Proces stajanja nakon završetka punjenja to dokazuje i sa strane - malo.

Sljedeća slika prikazuje faznu strukturu negativne grafitne elektrode nakon punjenja i nakon 20 sati. Na kraju punjenja, faza negativne grafitne elektrode je vrlo različita pod dvije brzine punjenja. Na C/5, odnos LiC12 u grafitnoj anodi je veći, a procenat LiC6 je manji, ali nakon stajanja od 20 sati razlika između njih je postala minimalna.

Slika ispod prikazuje promjenu faze negativne grafitne elektrode tokom 20h procesa skladištenja. Na slici se može vidjeti da iako su faze dvije suprotne elektrode na početku još uvijek vrlo različite, kako se vrijeme skladištenja povećava, dvije vrste punjenja Faza grafitne anode pod povećanjem se promijenila vrlo blizu. LiC12 može nastaviti da se pretvara u LiC6 tokom procesa odlaganja na policama, što ukazuje da će Li i dalje biti ugrađen u grafit tokom procesa postavljanja na police. Ovaj dio Li je vjerovatno metalni litijum precipitiran na površini negativne grafitne elektrode na niskoj temperaturi. Dalja analiza je pokazala da je na kraju punjenja brzinom C/30 stepen interkalacije litijuma negativne grafitne elektrode bio 68%. Ipak, stepen interkalacije litijuma porastao je na 71% nakon odlaganja, što je povećanje od 3%. Na kraju punjenja brzinom C/5, stepen umetanja litijuma negativne grafitne elektrode bio je 58%, ali nakon 20 sati, porastao je na 70%, što je ukupno povećanje od 12%.

Gore navedeno istraživanje pokazuje da će se pri punjenju na niskim temperaturama kapacitet baterije smanjiti zbog pogoršanja kinetičkih uvjeta. Također će precipitirati metal litijum na površini negativne elektrode zbog smanjenja brzine umetanja litijuma grafita. Međutim, nakon perioda skladištenja, ovaj dio metalnog litijuma može se ponovo ugraditi u grafit; u stvarnoj upotrebi, vrijeme trajanja je često kratko i nema garancije da se sav metalni litijum može ponovo ugraditi u grafit, tako da može uzrokovati da nešto metalnog litijuma nastavi postojati u negativnoj elektrodi. Površina litijum-jonske baterije će uticati na kapacitet litijum-jonske baterije i može proizvesti litijum dendrite koji ugrožavaju bezbednost litijum-jonske baterije. Stoga pokušajte izbjeći punjenje litijum-jonske baterije na niskim temperaturama. Niska struja i nakon stvrdnjavanja osigurajte dovoljno vremena za eliminaciju metalnog litija u negativnoj grafitnoj elektrodi.

Ovaj članak se uglavnom odnosi na sljedeće dokumente. Izvještaj se koristi samo za predstavljanje i pregled srodnih naučnih radova, razredne nastave i naučnog istraživanja. Nije za komercijalnu upotrebu. Ako imate bilo kakvih problema sa autorskim pravima, slobodno nas kontaktirajte.

1. Sposobnost brzine grafitnih materijala kao negativnih elektroda u litij-ionskim kondenzatorima,Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar,JY Nerkar,AG Pandolfo

2. Litijumsko prevlačenje u litijum-jonskim baterijama istraženo relaksacijom napona i in situ neutronskom difrakcijom, 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. Litijumsko oblaganje u litijum-jonskim baterijama na temperaturama ispod ambijentalne istražene in situ neutronskom difrakcijom, 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