Доаѓа зима, погледнете го феноменот на нискотемпературна анализа на литиум-јонските батерии

На перформансите на литиум-јонските батерии во голема мера влијаат нивните кинетички карактеристики. Бидејќи Li+ треба прво да се разложи кога ќе се вгради во графитниот материјал, треба да троши одредена количина на енергија и да ја попречи дифузијата на Li+ во графитот. Напротив, кога Li+ ќе се ослободи од графитниот материјал во растворот, прво ќе се случи процесот на солвација, а процесот на растворање не бара потрошувачка на енергија. Li+ може брзо да го отстрани графитот, што доведува до значително послабо прифаќање на полнењето на графитниот материјал. Во прифатливоста на испуштањето .

При ниски температури, кинетичките карактеристики на негативната графитна електрода се подобрија и станаа полоши. Затоа, електрохемиската поларизација на негативната електрода значително се интензивира за време на процесот на полнење, што лесно може да доведе до таложење на метален литиум на површината на негативната електрода. Истражувањето на Кристијан фон Лидерс од Техничкиот универзитет во Минхен, Германија, покажа дека на -2°C, стапката на полнење надминува C/2, а количината на врнежи од метален литиум е значително зголемена. На пример, со стапка C/2, количината на литиумско обложување на површината на спротивната електрода е околу целото полнење. 5.5% од капацитетот, но ќе достигне 9% при зголемување од 1C. Преципитираниот метален литиум може дополнително да се развие и на крајот да стане литиумски дендрити, пробивајќи ја дијафрагмата и предизвикувајќи краток спој на позитивните и негативните електроди. Затоа, неопходно е да се избегнува колку што е можно повеќе полнење на литиум-јонската батерија на ниски температури. Кога батеријата мора да се полни на ниска температура, неопходно е да се избере мала струја за да се полни литиум-јонската батерија колку што е можно повеќе и целосно да се складира литиум-јонската батерија по полнењето за да се обезбеди металниот литиум да се таложи од негативната електрода може да реагира со графит и повторно да се вгради во негативната графитна електрода.

Вероника Зинт и други од Техничкиот универзитет во Минхен користеле неутронска дифракција и други методи за да го проучат однесувањето на еволуцијата на литиум кај литиум-јонските батерии на ниска температура од -20°C. Неутронската дифракција е нов метод за откривање во последниве години. Во споредба со XRD, неутронската дифракција е почувствителна на светлосни елементи (Li, O, N, итн.), па затоа е многу погодна за недеструктивно тестирање на литиум-јонски батерии.

Во експериментот, VeronikaZinth ја искористи батеријата NMC111/graphite 18650 за да го проучи однесувањето на еволуцијата на литиум кај литиум-јонските батерии на ниски температури. Батеријата се полни и испразнува за време на тестот според процесот прикажан на сликата подолу.

Следната слика ја прикажува фазната промена на негативната електрода под различни SoC за време на вториот циклус на полнење при полнење со брзина C/30. Се чини дека при 30.9% SoC, фазите на негативната електрода се главно LiC12, Li1-XC18 и мала количина LiC6 состав; откако SoC ќе надмине 46%, интензитетот на дифракција на LiC12 продолжува да се намалува, додека моќта на LiC6 продолжува да се зголемува. Сепак, дури и откако ќе заврши конечното полнење, бидејќи само 1503 mAh се полни на ниска температура (капацитетот е 1950 mAh на собна температура), LiC12 постои во негативната електрода. Да претпоставиме дека струјата на полнење е намалена на C/100. Во тој случај, батеријата сепак може да добие капацитет од 1950 mAh при ниски температури, што укажува дека намалувањето на моќноста на литиум-јонските батерии при ниски температури главно се должи на влошувањето на кинетичките услови.

Сликата подолу ја прикажува фазната промена на графитот во негативната електрода за време на полнењето според стапката C/5 при ниска температура од -20°C. Може да се види дека фазната промена на графитот е значително различна во споредба со полнењето со брзина C/30. Од сликата може да се види дека кога SoC>40%, фазната јачина на батеријата LiC12 под стапката на полнење C/5 се намалува значително побавно, а зголемувањето на јачината на фазата LiC6 е исто така значително послабо од онаа на C/30 стапка на полнење. Тоа покажува дека со релативно висока стапка од C/5, помалку LiC12 продолжува да интеркалира литиум и се претвора во LiC6.

Сликата подолу ги споредува фазните промени на негативната графитна електрода при полнење со стапки C/30 и C/5, соодветно. Сликата покажува дека за две различни стапки на полнење, фазата сиромашна со литиум Li1-XC18 е многу слична. Разликата главно се рефлектира во двете фази на LiC12 и LiC6. Од сликата може да се види дека трендот на промена на фазата во негативната електрода е релативно близок во почетната фаза на полнење според двете стапки на полнење. За фазата LiC12, кога капацитетот за полнење достигнува 950 mAh (49% SoC), трендот на промена почнува да се појавува поинаков. Кога станува збор за 1100 mAh (56.4% SoC), фазата LiC12 под двете зголемувања почнува да покажува значителен јаз. Кога се полни со ниска стапка од C/30, опаѓањето на фазата LiC12 е многу брзо, но падот на фазата LiC12 со стапката C/5 е многу побавно; односно кинетичките услови на вметнување на литиум во негативната електрода се влошуваат при ниски температури. , Така што LiC12 дополнително интеркалира литиум за да генерира LiC6 фаза брзината се намали. Соодветно, фазата LiC6 се зголемува многу брзо со ниска стапка од C/30, но е многу побавна со брзина од C/5. Ова покажува дека со стапката C/5, повеќе минијатурен Li е вграден во кристалната структура на графитот, но она што е интересно е дека капацитетот на полнење на батеријата (1520.5 mAh) при стапката на полнење C/5 е поголем од оној на C /30 стапка на полнење. Моќноста (1503.5 mAh) е поголема. Дополнителниот Li што не е вграден во негативната графитна електрода најверојатно ќе се таложи на површината на графитот во форма на метален литиум. Процесот на стоење по завршувањето на полнењето исто така го докажува тоа од страна — малку.

На следната слика е прикажана фазната структура на негативната графитна електрода по полнењето и откако ќе се остави 20 часа. На крајот на полнењето, фазата на негативната графитна електрода е многу различна според двете стапки на полнење. На C/5, односот на LiC12 во графитната анода е поголем, а процентот на LiC6 е помал, но по стоење 20 часа, разликата меѓу двете стана минимална.

Сликата подолу ја прикажува фазната промена на негативната графитна електрода за време на процесот на складирање од 20 часа. Од сликата може да се види дека иако фазите на двете спротивставени електроди се уште се многу различни на почетокот, како што се зголемува времето на складирање, двата типа на полнење Степенот на графитната анода под зголемувањето се промени многу блиску. LiC12 може да продолжи да се претвора во LiC6 за време на процесот на поставување полици, што покажува дека Li ќе продолжи да се вградува во графитот за време на процесот на поставување на полиците. Овој дел од Li најверојатно е метален литиум кој ја преципитирал површината на негативната графитна електрода на ниска температура. Понатамошната анализа покажа дека на крајот од полнењето со стапка C/30, степенот на интеркалација на литиум на негативната графитна електрода беше 68%. Сепак, степенот на интеркалација на литиум се зголеми на 71% по ставањето на полиците, што претставува зголемување од 3%. На крајот од полнењето со стапка C/5, степенот на вметнување на литиум на негативната графитна електрода беше 58%, но откако беше оставена 20 часа, се зголеми на 70%, вкупно зголемување од 12%.

Горенаведеното истражување покажува дека при полнење на ниски температури, капацитетот на батеријата ќе се намали поради влошување на кинетичките услови. Исто така, ќе го таложи металот на литиум на површината на негативната електрода поради намалувањето на стапката на вметнување на литиум на графит. Сепак, по одреден период на складирање, овој дел од метален литиум може повторно да се вгради во графитот; при реална употреба, времето на чување е често кратко и не постои гаранција дека целиот метален литиум може повторно да се вметне во графитот, така што може да предизвика малку метален литиум да продолжи да постои во негативната електрода. Површината на литиум-јонската батерија ќе влијае на капацитетот на литиум-јонската батерија и може да произведе литиумски дендрити кои ја загрозуваат безбедноста на литиум-јонската батерија. Затоа, обидете се да избегнете полнење на литиум-јонската батерија на ниски температури. Ниска струја и по поставувањето, обезбедете доволно време на полица за да се елиминира металниот литиум во негативната графитна електрода.

Оваа статија главно се однесува на следните документи. Извештајот се користи само за воведување и преглед на поврзани научни трудови, настава во училница и научно истражување. Не е за комерцијална употреба. Ако имате какви било проблеми со авторските права, ве молиме слободно контактирајте со нас.

1. Оцени ја способноста на графитните материјали како негативни електроди во литиум-јонски кондензатори, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2. Литиумско обложување во литиум-јонски батерии испитани со релаксација на напон и дифракција на неутрони на самото место, весник на извори на енергија 342(2017)17-23, Кристијан фон Лидерс, Вероника Зинт, Симон В.Ерхард, Патрик Ј.Освалд, Мајкл Хоф , Ралф Жил, Андреас Јосен

3. Литиумско обложување во литиум-јонски батерии на субамбиентални температури испитани со дифракција на неутрони на самото место, весник на извори на енергија 271 (2014) 152-159, Вероника Зинт, Кристијан фон Лидерс, Мајкл Хофман, Јоханес Хатендорф, Ирмгард Буч Ерхард, Јоана Ребело-Корнмаер, Андреас Јосен, Ралф Жил