زمستان در راه است، به پدیده تجزیه و تحلیل دمای پایین باتری های لیتیوم یون نگاه کنید

عملکرد باتری های لیتیوم یون به شدت تحت تأثیر ویژگی های جنبشی آنها است. از آنجایی که Li+ وقتی در ماده گرافیت جاسازی می‌شود باید ابتدا حل شود، باید مقدار معینی انرژی مصرف کند و مانع از انتشار Li+ در گرافیت شود. برعکس، زمانی که Li+ از ماده گرافیت به داخل محلول آزاد می‌شود، ابتدا فرآیند حل‌پذیری اتفاق می‌افتد و فرآیند حل‌پذیری نیازی به مصرف انرژی ندارد. Li+ می‌تواند به سرعت گرافیت را حذف کند، که منجر به پذیرش شارژ ضعیف‌تر از ماده گرافیت می‌شود. در قابل قبولی ترخیص .

در دماهای پایین، ویژگی های جنبشی الکترود گرافیت منفی بهبود یافته و بدتر شده است. بنابراین، پلاریزاسیون الکتروشیمیایی الکترود منفی در طول فرآیند شارژ به طور قابل توجهی تشدید می شود که به راحتی می تواند منجر به رسوب لیتیوم فلزی بر روی سطح الکترود منفی شود. تحقیقات کریستین فون لودرز از دانشگاه فنی مونیخ آلمان نشان داده است که در دمای 2- درجه سانتیگراد، نرخ شارژ از C/2 بیشتر می شود و میزان بارندگی فلز لیتیوم به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. به عنوان مثال، در نرخ C/2، مقدار آبکاری لیتیوم روی سطح الکترود مقابل تقریباً کل شارژ است. 5.5٪ از ظرفیت، اما به 9٪ با بزرگنمایی 1C می رسد. لیتیوم فلزی رسوب‌شده ممکن است بیشتر توسعه یابد و در نهایت به دندریت‌های لیتیوم تبدیل شود، از طریق دیافراگم نفوذ کرده و باعث اتصال کوتاه الکترودهای مثبت و منفی شود. بنابراین لازم است تا حد امکان از شارژ باتری لیتیوم یونی در دمای پایین خودداری شود. هنگامی که باید باتری را در دمای پایین شارژ کرد، لازم است جریان کمی را انتخاب کنید تا باتری لیتیوم یونی تا حد امکان شارژ شود و باتری لیتیوم یون کاملاً پس از شارژ ذخیره شود تا اطمینان حاصل شود که لیتیوم فلزی از الکترود منفی رسوب می کند. می تواند با گرافیت واکنش دهد و دوباره در الکترود گرافیت منفی جاسازی شود.

ورونیکا زینث و دیگران از دانشگاه فنی مونیخ از پراش نوترون و روش‌های دیگر برای مطالعه رفتار تکامل لیتیوم باتری‌های لیتیوم یونی در دمای پایین 20- درجه سانتیگراد استفاده کردند. پراش نوترون یک روش تشخیص جدید در سال های اخیر بوده است. در مقایسه با XRD، پراش نوترون به عناصر سبک (Li، O، N و غیره) حساس تر است، بنابراین برای آزمایش غیر مخرب باتری های لیتیوم یون بسیار مناسب است.

در این آزمایش، VeronikaZinth از باتری NMC111/graphite 18650 برای مطالعه رفتار تکامل لیتیوم باتری‌های لیتیوم یونی در دماهای پایین استفاده کرد. باتری در طول تست طبق فرآیند نشان داده شده در شکل زیر شارژ و دشارژ می شود.

شکل زیر تغییر فاز الکترود منفی تحت SoC های مختلف را در طول چرخه شارژ دوم با نرخ شارژ C/30 نشان می دهد. به نظر می رسد که در 30.9% SoC، فازهای الکترود منفی عمدتاً LiC12، Li1-XC18 و مقدار کمی ترکیب LiC6 هستند. پس از اینکه SoC از 46% فراتر رفت، شدت پراش LiC12 همچنان کاهش می یابد، در حالی که قدرت LiC6 همچنان افزایش می یابد. با این حال، حتی پس از اتمام شارژ نهایی، از آنجایی که تنها 1503 میلی آمپر ساعت در دمای پایین شارژ می شود (ظرفیت در دمای اتاق 1950 میلی آمپر ساعت است)، LiC12 در الکترود منفی وجود دارد. فرض کنید جریان شارژ به C/100 کاهش یافته است. در آن صورت، باتری همچنان می تواند ظرفیت 1950 میلی آمپر ساعت را در دماهای پایین به دست آورد، که نشان می دهد کاهش قدرت باتری های لیتیوم یونی در دماهای پایین عمدتاً به دلیل بدتر شدن شرایط جنبشی است.

شکل زیر تغییر فاز گرافیت در الکترود منفی را در حین شارژ با توجه به نرخ C/5 در دمای پایین 20- درجه سانتی گراد نشان می دهد. می توان مشاهده کرد که تغییر فاز گرافیت به طور قابل توجهی در مقایسه با شارژ نرخ C/30 متفاوت است. از شکل می توان دریافت که وقتی SoC> 40٪ است، قدرت فاز باتری LiC12 تحت نرخ شارژ C/5 به طور قابل توجهی کندتر کاهش می یابد، و افزایش قدرت فاز LiC6 نیز به طور قابل توجهی ضعیف تر از C/30 است. نرخ شارژ این نشان می‌دهد که با نرخ نسبتاً بالای C/5، LiC12 کمتری به ترکیب لیتیوم ادامه می‌دهد و به LiC6 تبدیل می‌شود.

شکل زیر تغییرات فاز الکترود گرافیتی منفی را هنگام شارژ به ترتیب با نرخ های C/30 و C/5 مقایسه می کند. شکل نشان می دهد که برای دو نرخ شارژ متفاوت، فاز Li1-XC18 ضعیف از لیتیوم بسیار مشابه است. تفاوت عمدتاً در دو فاز LiC12 و LiC6 منعکس می شود. از شکل می توان دریافت که روند تغییر فاز در الکترود منفی در مرحله اولیه شارژ تحت دو نرخ شارژ نسبتا نزدیک است. برای فاز LiC12، زمانی که ظرفیت شارژ به 950 میلی‌آمپر ساعت (49 درصد SoC) می‌رسد، روند تغییر متفاوت به نظر می‌رسد. وقتی نوبت به 1100 میلی آمپر ساعت (56.4 درصد SoC) می رسد، فاز LiC12 تحت دو بزرگنمایی شروع به نشان دادن شکاف قابل توجهی می کند. هنگام شارژ با نرخ پایین C/30، کاهش مرحله LiC12 بسیار سریع است، اما افت فاز LiC12 در نرخ C/5 بسیار کندتر است. یعنی شرایط جنبشی قرار دادن لیتیوم در الکترود منفی در دماهای پایین بدتر می شود. به طوری که LiC12 بیشتر لیتیوم را برای تولید LiC6 کاهش می دهد سرعت فاز کاهش می یابد. به همین ترتیب، فاز LiC6 با سرعت پایین C/30 خیلی سریع افزایش می‌یابد اما در نرخ C/5 بسیار کندتر است. این نشان می دهد که در نرخ C/5، Li ریزه ریز بیشتری در ساختار کریستالی گرافیت تعبیه شده است، اما جالب اینجاست که ظرفیت شارژ باتری (1520.5 میلی آمپر ساعت) در نرخ شارژ C/5 بیشتر از ظرفیت شارژ باتری C است. / نرخ شارژ 30. قدرت (1503.5 میلی آمپر ساعت) بالاتر است. لیتیوم اضافی که در الکترود گرافیت منفی تعبیه نشده است احتمالاً به شکل لیتیوم فلزی روی سطح گرافیت رسوب می کند. روند ایستادن پس از پایان شارژ نیز این را از جانبی ثابت می کند - کمی.

شکل زیر ساختار فاز الکترود گرافیتی منفی را پس از شارژ شدن و پس از 20 ساعت ماندن نشان می دهد. در پایان شارژ، فاز الکترود گرافیت منفی تحت دو نرخ شارژ بسیار متفاوت است. در C/5، نسبت LiC12 در آند گرافیت بیشتر و درصد LiC6 کمتر است، اما پس از 20 ساعت ایستادن، تفاوت بین این دو به حداقل می رسد.

شکل زیر تغییر فاز الکترود گرافیت منفی را در طی فرآیند ذخیره سازی 20 ساعت نشان می دهد. از شکل می توان دریافت که اگرچه فازهای دو الکترود متضاد در ابتدا هنوز بسیار متفاوت است، اما با افزایش زمان ذخیره سازی، دو نوع شارژ مرحله آند گرافیت تحت بزرگنمایی بسیار نزدیک تغییر کرده است. LiC12 می تواند در طول فرآیند قفسه بندی به LiC6 تبدیل شود، که نشان می دهد لی در طول فرآیند قفسه بندی در گرافیت جاسازی می شود. این بخش از لی احتمالاً لیتیوم فلزی است که سطح الکترود گرافیت منفی را در دمای پایین رسوب داده است. تجزیه و تحلیل بیشتر نشان داد که در پایان شارژ با نرخ C/30، درجه بینابینی لیتیوم الکترود گرافیت منفی 68٪ بود. با این حال، درجه بینابینی لیتیوم پس از قفسه بندی به 71 درصد افزایش یافته است که افزایش 3 درصدی را نشان می دهد. در پایان شارژ با نرخ C/5، درجه درج لیتیوم الکترود گرافیت منفی 58٪ بود، اما پس از 20 ساعت ماندن، به 70٪ افزایش یافت که در کل 12٪ افزایش یافت.

تحقیقات فوق نشان می دهد که هنگام شارژ در دمای پایین، ظرفیت باتری به دلیل بدتر شدن شرایط جنبشی کاهش می یابد. همچنین به دلیل کاهش نرخ درج لیتیوم گرافیت، فلز لیتیوم را روی سطح الکترود منفی رسوب می دهد. با این حال، پس از یک دوره ذخیره، این بخش از لیتیوم فلزی را می توان دوباره در گرافیت جاسازی کرد. در استفاده واقعی، زمان نگهداری اغلب کوتاه است و هیچ تضمینی وجود ندارد که تمام لیتیوم فلزی بتواند دوباره در گرافیت جاسازی شود، بنابراین ممکن است باعث شود مقداری لیتیوم فلزی در الکترود منفی وجود داشته باشد. سطح باتری لیتیوم یون بر ظرفیت باتری لیتیوم یون تأثیر می گذارد و ممکن است دندریت های لیتیومی تولید کند که ایمنی باتری لیتیوم یون را به خطر می اندازد. بنابراین سعی کنید از شارژ باتری لیتیوم یونی در دمای پایین خودداری کنید. جریان کم، و پس از تنظیم، از زمان ماندگاری کافی برای حذف لیتیوم فلزی در الکترود گرافیت منفی اطمینان حاصل کنید.

این مقاله عمدتاً به اسناد زیر اشاره دارد. این گزارش تنها برای معرفی و بررسی آثار علمی مرتبط، تدریس کلاسی و تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می گیرد. برای استفاده تجاری نیست. اگر مشکل کپی رایت دارید، لطفا با ما تماس بگیرید.

1-قابلیت مواد گرافیت را به عنوان الکترودهای منفی در خازن های لیتیوم یونی، Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335، SRSivakkumar، JY Nerkar، AG Pandolfo ارزیابی کنید.

2. آبکاری لیتیوم در باتری های لیتیوم یونی که توسط شل شدن ولتاژ و پراش نوترون درجا بررسی شده است، مجله منابع قدرت 342 (2017) 17-23، کریستین فون لودرز، ورونیکا زینث، سیمون وی ارهارد، پاتریک جی. اوسوالد، مایکل هاف رالف ژیلز، آندریاس جوسن

3. آبکاری لیتیوم در باتری های لیتیوم یون در دماهای زیر محیطی که توسط پراش نوترون درجا بررسی شده است، مجله منابع قدرت 271 (2014) 152-159، ورونیکا زینث، کریستین فون لودرز، مایکل هافمن، یوهانس هاتندورف، ایرمگارد بوچ ارهارد، جوآنا ربلو-کورنمایر، آندریاس یوسن، رالف ژیلز