Vinteren kommer, se på lavtemperaturanalysefenomenet til litiumionbatterier

Ytelsen til litium-ion-batterier er sterkt påvirket av deres kinetiske egenskaper. Fordi Li+ må desolveres først når det er innebygd i grafittmaterialet, må det forbruke en viss mengde energi og hindre diffusjon av Li+ inn i grafitten. Tvert imot, når Li+ frigjøres fra grafittmaterialet inn i løsningen, vil solvatiseringsprosessen skje først, og solvatiseringsprosessen krever ikke energiforbruk. Li+ kan raskt fjerne grafitten, noe som fører til en betydelig dårligere ladningsaksept av grafittmaterialet. I utslipp akseptabilitet.

Ved lave temperaturer har de kinetiske egenskapene til den negative grafittelektroden forbedret og blitt dårligere. Derfor forsterkes den elektrokjemiske polarisasjonen av den negative elektroden betydelig under ladeprosessen, noe som lett kan føre til utfelling av metallisk litium på overflaten av den negative elektroden. Forskning av Christian von Lüders ved det tekniske universitetet i München, Tyskland, har vist at ved -2°C overskrider ladehastigheten C/2, og mengden metalllitiumutfelling øker betydelig. For eksempel, ved C/2-hastigheten, er mengden litiumbelegg på den motstående elektrodeoverflaten omtrent hele ladningen. 5.5 % av kapasiteten, men vil nå 9 % under 1C forstørrelse. Det utfelte metalliske litiumet kan utvikle seg videre og til slutt bli litiumdendritter, som trenger gjennom membranen og forårsaker kortslutning av de positive og negative elektrodene. Derfor er det nødvendig å unngå å lade litium-ion-batteriet ved lave temperaturer så mye som mulig. Når det må lade batteriet ved lav temperatur, er det viktig å velge en liten strøm for å lade litium-ion-batteriet så mye som mulig og oppbevare litium-ion-batteriet fullt etter lading for å sikre at metallisk litium utfelles fra den negative elektroden kan reagere med grafitt og bygges inn igjen i den negative grafittelektroden.

Veronika Zinth og andre ved det tekniske universitetet i München brukte nøytrondiffraksjon og andre metoder for å studere litiumevolusjonsoppførselen til litiumionbatterier ved en lav temperatur på -20 °C. Nøytrondiffraksjon har vært en ny deteksjonsmetode de siste årene. Sammenlignet med XRD er nøytrondiffraksjon mer følsom for lette elementer (Li, O, N, etc.), så den egner seg veldig godt for ikke-destruktiv testing av litium-ion-batterier.

I eksperimentet brukte VeronikaZinth NMC111/graphite 18650-batteriet for å studere litium-evolusjonsadferden til litium-ion-batterier ved lave temperaturer. Batteriet lades og utlades under testen i henhold til prosessen vist i figuren nedenfor.

Følgende figur viser faseendringen til den negative elektroden under forskjellige SoCs under den andre ladesyklusen ved C/30-hastighetslading. Det kan virke som om ved 30.9 % SoC er fasene til den negative elektroden hovedsakelig LiC12, Li1-XC18 og en liten mengde LiC6-sammensetning; etter at SoC overstiger 46 %, fortsetter diffraksjonsintensiteten til LiC12 å avta, mens kraften til LiC6 fortsetter å øke. Men selv etter at den endelige ladningen er fullført, siden bare 1503mAh lades ved lav temperatur (kapasiteten er 1950mAh ved romtemperatur), eksisterer LiC12 i den negative elektroden. Anta at ladestrømmen reduseres til C/100. I så fall kan batteriet fortsatt oppnå en kapasitet på 1950mAh ved lave temperaturer, noe som indikerer at nedgangen i kraften til litium-ion-batterier ved lave temperaturer hovedsakelig skyldes forverring av kinetiske forhold.

Figuren nedenfor viser faseendringen til grafitt i den negative elektroden under lading i henhold til C/5-hastigheten ved en lav temperatur på -20°C. Den kan se at faseendringen til grafitt er betydelig forskjellig sammenlignet med C/30 rate lading. Det kan sees fra figuren at når SoC>40 %, avtar fasestyrken til batteriet LiC12 under C/5 ladehastigheten betydelig langsommere, og økningen av LiC6 fasestyrken er også betydelig svakere enn for C/30. ladesats. Den viser at ved en relativt høy hastighet på C/5, fortsetter mindre LiC12 å interkalere litium og omdannes til LiC6.

Figuren nedenfor sammenligner faseendringene til den negative grafittelektroden ved lading ved henholdsvis C/30 og C/5 hastigheter. Figuren viser at for to forskjellige ladehastigheter er den litiumfattige fasen Li1-XC18 veldig lik. Forskjellen gjenspeiles hovedsakelig i de to fasene LiC12 og LiC6. Det kan sees fra figuren at faseendringstrenden i den negative elektroden er relativt nær ved startstadiet av lading under de to ladehastighetene. For LiC12-fasen, når ladekapasiteten når 950mAh (49 % SoC), begynner den skiftende trenden å se annerledes ut. Når det gjelder 1100mAh (56.4 % SoC), begynner LiC12-fasen under de to forstørrelsene å vise et betydelig gap. Når du lader med en lav hastighet på C/30, er nedgangen av LiC12-trinnet veldig raskt, men fallet av LiC12-fasen ved C/5-hastigheten er mye langsommere; det vil si at de kinetiske forholdene for litiuminnføring i den negative elektroden forverres ved lave temperaturer. , Slik at LiC12 interkalerer litium ytterligere for å generere LiC6 fase hastighet redusert. Tilsvarende øker LiC6-fasen veldig raskt ved en lav hastighet på C/30, men er mye langsommere ved en hastighet på C/5. Dette viser at ved C/5-hastigheten er mer petite Li innebygd i krystallstrukturen til grafitt, men det som er interessant er at batteriets ladekapasitet (1520.5mAh) ved C/5-ladehastigheten er høyere enn ved C-en. /30 ladetakst. Effekten (1503.5mAh) er høyere. Den ekstra Li som ikke er innebygd i den negative grafittelektroden vil sannsynligvis bli utfelt på grafittoverflaten i form av metallisk litium. Ståprosessen etter endt lading beviser også dette fra siden — litt.

Følgende figur viser fasestrukturen til den negative grafittelektroden etter lading og etter å ha stått i 20 timer. Ved slutten av ladingen er fasen til den negative grafittelektroden veldig forskjellig under de to ladehastighetene. Ved C/5 er forholdet LiC12 i grafittanoden høyere, og prosentandelen LiC6 er lavere, men etter å ha stått i 20 timer er forskjellen mellom de to blitt minimal.

Figuren nedenfor viser faseendringen til den negative grafittelektroden under lagringsprosessen på 20 timer. Det kan se av figuren at selv om fasene til de to motstående elektrodene fortsatt er svært forskjellige i begynnelsen, ettersom lagringstiden øker, har de to typene lading Stadiet til grafittanoden under forstørrelsen endret seg veldig nært. LiC12 kan fortsette å bli konvertert til LiC6 under hylleprosessen, noe som indikerer at Li vil fortsette å være innebygd i grafitten under hylleprosessen. Denne delen av Li er sannsynligvis metallisk litium utfelt overflaten av den negative grafittelektroden ved lav temperatur. Ytterligere analyse viste at ved slutten av ladingen ved C/30-hastigheten, var graden av litium-interkalering av den negative grafittelektroden 68 %. Likevel økte graden av litiuminnsetting til 71 % etter hylling, en økning på 3 %. Ved slutten av ladingen med C/5-hastigheten var litiuminnsettingsgraden til den negative grafittelektroden 58 %, men etter å ha stått i 20 timer økte den til 70 %, en total økning på 12 %.

Ovennevnte forskning viser at ved lading ved lave temperaturer vil batterikapasiteten reduseres på grunn av forverring av de kinetiske forholdene. Det vil også utfelle litiummetallet på overflaten av den negative elektroden på grunn av reduksjonen i grafittlitiuminnføringshastigheten. Imidlertid, etter en periode med lagring, kan denne delen av metallisk litium legges inn i grafitten igjen; ved faktisk bruk er lagringstiden ofte kort, og det er ingen garanti for at alt metallisk litium kan legges inn i grafitten igjen, så det kan føre til at noe metallisk litium fortsetter å eksistere i den negative elektroden. Litium-ion-batteriets overflate vil påvirke litium-ion-batteriets kapasitet og kan produsere litium-dendritter som setter litium-ion-batteriets sikkerhet i fare. Prøv derfor å unngå å lade litium-ion-batteriet ved lave temperaturer. Lav strøm, og etter innstilling, sørg for tilstrekkelig lagringstid til å eliminere metalllitiumet i den negative grafittelektroden.

Denne artikkelen refererer hovedsakelig til følgende dokumenter. Rapporten brukes kun til å introdusere og gjennomgå relaterte vitenskapelige arbeider, klasseromsundervisning og vitenskapelig forskning. Ikke for kommersiell bruk. Hvis du har problemer med opphavsrett, kan du gjerne kontakte oss.

1. Vurder evnen til grafittmaterialer som negative elektroder i litiumionkondensatorer,Electtrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335, SRSivakkumar,JY Nerkar,AG Pandolfo

2. Litiumbelegg i litiumionbatterier undersøkt ved spenningsavslapning og in situ nøytrondiffraksjon, 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. Litiumplettering i litiumionbatterier ved temperaturer under omgivelsene undersøkt ved in situ nøytrondiffraksjon, Journal of Power Sources 271 (2014) 152-159, Veronika Zinth, Christian von Lüders, Michael Hofmann, Johannes Hattendorff, Irmgard Buchberger, Simon Erhard, Joana Rebelo-Kornmeier, Andreas Jossen, Ralph Gilles