Zima dolazi, pogledajte fenomen analize niske temperature litij-ionskih baterija

Na performanse litij-ionskih baterija uvelike utječu njihove kinetičke karakteristike. Budući da se Li+ prvo treba desolvatirati kada je ugrađen u grafitni materijal, on treba potrošiti određenu količinu energije i ometati difuziju Li+ u grafit. Naprotiv, kada se Li+ ispusti iz grafitnog materijala u otopinu, prvi će se dogoditi proces solvatacije, a proces solvatacije ne zahtijeva potrošnju energije. Li+ može brzo ukloniti grafit, što dovodi do znatno slabijeg prihvaćanja naboja grafitnog materijala. U prihvatljivosti ispuštanja .

Pri niskim temperaturama kinetičke karakteristike negativne grafitne elektrode su se poboljšale i pogoršale. Stoga se tijekom procesa punjenja značajno pojačava elektrokemijska polarizacija negativne elektrode, što lako može dovesti do taloženja metalnog litija na površini negativne elektrode. Istraživanje Christiana von Lüdersa s Tehničkog sveučilišta u Münchenu, Njemačka, pokazalo je da pri -2°C brzina naboja prelazi C/2, a količina precipitacije metalnog litija je značajno povećana. Na primjer, pri brzini C/2, količina litijeve prevlake na površini suprotne elektrode iznosi otprilike cijeli naboj. 5.5% kapaciteta, ali će doseći 9% pod povećanjem od 1C. Taloženi metalni litij može se dalje razvijati i na kraju postati litijevi dendriti, probijajući se kroz dijafragmu i uzrokujući kratki spoj pozitivnih i negativnih elektroda. Stoga je potrebno što je više moguće izbjegavati punjenje litij-ionske baterije na niskim temperaturama. Kada se baterija mora puniti na niskoj temperaturi, bitno je odabrati malu struju za punjenje litij-ionske baterije što je više moguće i potpuno pohraniti litij-ionsku bateriju nakon punjenja kako bi se osiguralo da se metalni litij istaloži iz negativne elektrode može reagirati s grafitom i ponovno se ugraditi u negativnu grafitnu elektrodu.

Veronika Zinth i drugi s Tehničkog sveučilišta u Münchenu koristili su neutronsku difrakciju i druge metode za proučavanje ponašanja litij-ionskih baterija u evoluciji pri niskoj temperaturi od -20°C. Neutronska difrakcija je nova metoda detekcije posljednjih godina. U usporedbi s XRD, difrakcija neutrona je osjetljivija na svjetlosne elemente (Li, O, N, itd.), pa je vrlo prikladna za nerazorno ispitivanje litij-ionskih baterija.

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

Sljedeća slika prikazuje promjenu faze negativne elektrode pod različitim SoC-ovima tijekom 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 prijeđe 46%, intenzitet difrakcije LiC12 nastavlja se smanjivati, dok snaga LiC6 nastavlja rasti. Međutim, čak i nakon što je konačno punjenje završeno, budući da se samo 1503 mAh puni na niskoj temperaturi (kapacitet je 1950 mAh 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 litij-ionskih baterija na niskim temperaturama uglavnom posljedica pogoršanja kinetičkih uvjeta.

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

Slika ispod uspoređuje promjene faze negativne grafitne elektrode pri punjenju pri C/30 odnosno C/5 stopama. Slika pokazuje da je za dvije različite brzine punjenja faza Li1-XC18 siromašna litijem 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 naboja. Za LiC12 fazu, kada kapacitet punjenja dosegne 950 mAh (49% SoC), trend promjene počinje izgledati drugačije. Kada je riječ o 1100 mAh (56.4% SoC), faza LiC12 pod dva povećanja počinje pokazivati ​​značajan jaz. Pri punjenju pri niskoj stopi od C/30, pad LiC12 stupnja je vrlo brz, ali je pad LiC12 faze pri C/5 stopi mnogo sporiji; to jest, kinetički uvjeti umetanja litija u negativnu elektrodu pogoršavaju se pri niskim temperaturama. , Tako da LiC12 dalje interkalira litij kako bi generirao LiC6 faznu brzinu smanjena. Sukladno tome, faza LiC6 raste vrlo brzo pri niskoj stopi od C/30, ali je mnogo sporija pri stopi od C/5. To pokazuje da je pri stopi C/5 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 vjerojatno će se istaložiti na površini grafita u obliku metalnog litija. 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. Kod C/5, omjer LiC12 u grafitnoj anodi je veći, a postotak LiC6 niži, ali nakon stajanja od 20 sati razlika između njih je postala minimalna.

Slika ispod prikazuje promjenu faze negativne grafitne elektrode tijekom 20h procesa skladištenja. Na slici se može vidjeti da iako su faze dviju suprotstavljenih elektroda na početku još uvijek vrlo različite, kako se vrijeme skladištenja povećava, dvije vrste punjenja Stupanj grafitne anode pod povećanjem se promijenio vrlo blizu. LiC12 se može nastaviti pretvarati u LiC6 tijekom procesa postavljanja na police, što ukazuje da će Li i dalje biti ugrađen u grafit tijekom procesa postavljanja na police. Ovaj dio Li vjerojatno je metalni litij precipitiran na površini negativne grafitne elektrode pri niskoj temperaturi. Daljnja analiza je pokazala da je na kraju punjenja brzinom C/30 stupanj interkalacije litija negativne grafitne elektrode bio 68%. Ipak, stupanj interkalacije litija porastao je na 71% nakon stavljanja na police, što je povećanje od 3%. Na kraju punjenja brzinom C/5, stupanj umetanja litija negativne grafitne elektrode bio je 58%, ali nakon 20 sati, porastao je na 70%, što je ukupno povećanje od 12%.

Navedeno istraživanje pokazuje da će se pri punjenju na niskim temperaturama kapacitet baterije smanjiti zbog pogoršanja kinetičkih uvjeta. Također će precipitirati metal litij na površini negativne elektrode zbog smanjenja brzine umetanja litija grafita. Međutim, nakon razdoblja skladištenja, ovaj dio metalnog litija može se ponovno ugraditi u grafit; u stvarnoj upotrebi, vrijeme trajanja je često kratko i nema jamstva da se sav metalni litij može ponovno ugraditi u grafit, tako da može uzrokovati da nešto metalnog litija nastavi postojati u negativnoj elektrodi. Površina litij-ionske baterije će utjecati na kapacitet litij-ionske baterije i može proizvesti litij dendrite koji ugrožavaju sigurnost litij-ionske baterije. Stoga pokušajte izbjeći punjenje litij-ionske baterije na niskim temperaturama. Niska struja i nakon postavljanja osigurajte dovoljno vremena za eliminaciju metalnog litija u negativnoj grafitnoj elektrodi.

Ovaj se članak uglavnom odnosi na sljedeće dokumente. Izvješće se koristi samo za predstavljanje i pregled povezanih znanstvenih radova, razredne nastave i znanstvenog istraživanja. Nije za komercijalnu upotrebu. Ako imate bilo kakvih problema s 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. Litijska obrada u litij-ionskim baterijama istražena 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. Litij oplata u litij-ionskim baterijama na temperaturama ispod ambijentalnih istraženih 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