Mae'r gaeaf yn dod, edrychwch ar y ffenomen dadansoddi tymheredd isel o batris lithiwm-ion

Mae perfformiad batris lithiwm-ion yn cael ei effeithio'n fawr gan eu nodweddion cinetig. Oherwydd bod angen dadfeddwl Li+ yn gyntaf pan fydd wedi'i fewnosod yn y deunydd graffit, mae angen iddo ddefnyddio rhywfaint o egni a rhwystro trylediad Li + i'r graffit. I'r gwrthwyneb, pan fydd Li + yn cael ei ryddhau o'r deunydd graffit i'r toddiant, bydd y broses ddatrys yn digwydd yn gyntaf, ac nid oes angen defnyddio ynni ar gyfer y broses ddatrys. Gall Li+ dynnu'r graffit yn gyflym, sy'n arwain at dderbyniad llawer gwaeth o'r deunydd graffit. Yn y derbynioldeb rhyddhau .

Ar dymheredd isel, mae nodweddion cinetig yr electrod graffit negyddol wedi gwella ac yn gwaethygu. Felly, mae polareiddio electrocemegol yr electrod negyddol yn cael ei ddwysáu'n sylweddol yn ystod y broses codi tâl, a all arwain yn hawdd at wlybaniaeth lithiwm metelaidd ar wyneb yr electrod negyddol. Mae ymchwil gan Christian von Lüders o Brifysgol Dechnegol Munich, yr Almaen, wedi dangos bod y gyfradd codi tâl ar -2 ° C yn uwch na C/2, a bod swm dyddodiad lithiwm metel yn cynyddu'n sylweddol. Er enghraifft, ar gyfradd C/2, mae swm y platio lithiwm ar yr wyneb electrod gwrthwynebol yn ymwneud â'r tâl cyfan. 5.5% o'r capasiti ond bydd yn cyrraedd 9% o dan chwyddhad 1C. Gall y lithiwm metelaidd gwaddod ddatblygu ymhellach ac yn y pen draw ddod yn dendritau lithiwm, tyllu drwy'r diaffram ac achosi cylched byr o'r electrodau positif a negyddol. Felly, mae angen osgoi codi tâl ar y batri lithiwm-ion ar dymheredd isel cymaint â phosib. Pan fydd yn rhaid iddo wefru'r batri ar dymheredd isel, mae'n hanfodol dewis cerrynt bach i godi tâl ar y batri lithiwm-ion gymaint â phosibl a storio'r batri lithiwm-ion yn llawn ar ôl codi tâl er mwyn sicrhau bod y lithiwm metelaidd yn cael ei waddodi o'r electrod negyddol yn gallu adweithio gyda graffit a'i ail-ymgorffori yn yr electrod graffit negyddol.

Defnyddiodd Veronika Zinth ac eraill o Brifysgol Dechnegol Munich diffreithiant niwtron a dulliau eraill i astudio ymddygiad esblygiad lithiwm batris lithiwm-ion ar dymheredd isel o -20 ° C. Mae diffreithiant niwtron wedi bod yn ddull canfod newydd yn y blynyddoedd diwethaf. O'i gymharu â XRD, mae diffreithiant niwtron yn fwy sensitif i elfennau ysgafn (Li, O, N, ac ati), felly mae'n addas iawn ar gyfer profion annistrywiol o batris lithiwm-ion.

Yn yr arbrawf, defnyddiodd VeronikaZinth y batri NMC111/graffit 18650 i astudio ymddygiad esblygiad lithiwm batris lithiwm-ion ar dymheredd isel. Mae'r batri yn cael ei wefru a'i ollwng yn ystod y prawf yn unol â'r broses a ddangosir yn y ffigur isod.

Mae'r ffigur canlynol yn dangos newid cam yr electrod negyddol o dan wahanol SoCs yn ystod yr ail gylch codi tâl ar gyfradd C/30. Gall ymddangos, ar 30.9% SoC, bod cyfnodau'r electrod negyddol yn bennaf yn LiC12, Li1-XC18, a swm bach o Gyfansoddiad LiC6; ar ôl i'r SoC fod yn fwy na 46%, mae dwyster diffreithiant LiC12 yn parhau i ostwng, tra bod pŵer LiC6 yn parhau i gynyddu. Fodd bynnag, hyd yn oed ar ôl i'r tâl terfynol gael ei gwblhau, gan mai dim ond 1503mAh sy'n cael ei godi ar dymheredd isel (mae'r capasiti yn 1950mAh ar dymheredd yr ystafell), mae LiC12 yn bodoli yn yr electrod negyddol. Tybiwch fod y cerrynt codi tâl yn cael ei ostwng i C/100. Yn yr achos hwnnw, gall y batri ddal i gael cynhwysedd o 1950mAh ar dymheredd isel, sy'n dangos bod y gostyngiad yng ngrym batris lithiwm-ion ar dymheredd isel yn bennaf oherwydd dirywiad amodau cinetig.

Mae'r ffigur isod yn dangos newid cam graffit yn yr electrod negyddol wrth wefru yn ôl y gyfradd C/5 ar dymheredd isel o -20 ° C. Gall weld bod newid cyfnod graffit yn sylweddol wahanol o'i gymharu â chodi tâl cyfradd C/30. Gellir gweld o'r ffigur, pan fo SoC> 40%, bod cryfder cam y batri LiC12 o dan gyfradd tâl C/5 yn gostwng yn sylweddol arafach, ac mae'r cynnydd yng nghryfder cam LiC6 hefyd yn sylweddol wannach na'r C/30 cyfradd codi tâl. Mae'n dangos, ar gyfradd gymharol uchel o C/5, bod llai o LiC12 yn parhau i intercalate lithiwm ac yn cael ei drawsnewid i LiC6.

Mae'r ffigur isod yn cymharu newidiadau cam yr electrod graffit negyddol wrth godi tâl ar gyfraddau C/30 a C/5, yn y drefn honno. Mae'r ffigur yn dangos, ar gyfer dwy gyfradd codi tâl wahanol, bod y cyfnod lithiwm-wael Li1-XC18 yn debyg iawn. Adlewyrchir y gwahaniaeth yn bennaf yn y ddau gam o LiC12 a LiC6. Gellir gweld o'r ffigur bod y duedd newid cam yn yr electrod negyddol yn gymharol agos ar y cam cychwynnol o godi tâl o dan y ddwy gyfradd codi tâl. Ar gyfer y cam LiC12, pan fydd y gallu codi tâl yn cyrraedd 950mAh (49% SoC), mae'r duedd newidiol yn dechrau ymddangos yn wahanol. Pan ddaw 1100mAh (56.4% SoC), mae cam LiC12 o dan y ddau chwyddiad yn dechrau dangos bwlch sylweddol. Wrth godi tâl ar gyfradd isel o C/30, mae dirywiad cam LiC12 yn gyflym iawn, ond mae gostyngiad cam LiC12 ar gyfradd C/5 yn llawer arafach; hynny yw, mae amodau cinetig mewnosod lithiwm yn yr electrod negyddol yn dirywio ar dymheredd isel. , Fel bod LiC12 intercalates lithiwm ymhellach i gynhyrchu cyflymder cam LiC6 gostwng. Yn gyfatebol, mae cam LiC6 yn cynyddu'n gyflym iawn ar gyfradd isel o C/30 ond mae'n llawer arafach ar gyfradd C/5. Mae hyn yn dangos, ar gyfradd C/5, bod mwy o petite Li wedi'i ymgorffori yn strwythur grisial graffit, ond yr hyn sy'n ddiddorol yw bod cynhwysedd tâl y batri (1520.5mAh) ar gyfradd tâl C/5 yn uwch na'r gyfradd C/30. /1503.5 cyfradd tâl. Mae'r pŵer (XNUMXmAh) yn uwch. Mae'r Li ychwanegol nad yw wedi'i ymgorffori yn yr electrod graffit negyddol yn debygol o gael ei waddodi ar yr wyneb graffit ar ffurf lithiwm metelaidd. Mae'r broses sefydlog ar ôl diwedd codi tâl hefyd yn profi hyn o'r ochr - ychydig.

Mae'r ffigur canlynol yn dangos strwythur cyfnod yr electrod graffit negyddol ar ôl codi tâl ac ar ôl cael ei adael am 20 awr. Ar ddiwedd codi tâl, mae cam yr electrod graffit negyddol yn wahanol iawn o dan y ddwy gyfradd codi tâl. Ar C/5, mae'r gymhareb LiC12 yn yr anod graffit yn uwch, ac mae'r ganran o LiC6 yn is, ond ar ôl sefyll am 20 awr, mae'r gwahaniaeth rhwng y ddau wedi dod yn fach iawn.

Mae'r ffigur isod yn dangos newid cam yr electrod graffit negyddol yn ystod y broses storio 20 awr. Gall weld o'r ffigur, er bod cyfnodau'r ddau electrod gwrthgyferbyniol yn dal i fod yn wahanol iawn ar y dechrau, wrth i'r amser storio gynyddu, mae'r ddau fath o godi tâl Mae cam yr anod graffit o dan y chwyddiad wedi newid yn agos iawn. Gellir parhau i drosi LiC12 i LiC6 yn ystod y broses silffoedd, gan nodi y bydd Li yn parhau i gael ei fewnosod yn y graffit yn ystod y broses silffoedd. Mae'r rhan hon o Li yn debygol o fod yn lithiwm metelaidd waddodi wyneb yr electrod graffit negyddol ar dymheredd isel. Dangosodd dadansoddiad pellach, ar ddiwedd codi tâl ar y gyfradd C/30, mai 68% oedd lefel rhyng-gynhwysedd lithiwm yr electrod graffit negyddol. Yn dal i fod, cynyddodd y radd o intercalation lithiwm i 71% ar ôl silffoedd, cynnydd o 3%. Ar ddiwedd codi tâl ar y gyfradd C/5, gradd mewnosod lithiwm yr electrod negyddol graffit oedd 58%, ond ar ôl cael ei adael am 20 awr, cynyddodd i 70%, sef cyfanswm cynnydd o 12%.

Mae'r ymchwil uchod yn dangos, wrth godi tâl ar dymheredd isel, y bydd cynhwysedd y batri yn lleihau oherwydd dirywiad yr amodau cinetig. Bydd hefyd yn gwaddodi'r metel lithiwm ar wyneb yr electrod negyddol oherwydd gostyngiad yn y gyfradd mewnosod lithiwm graffit. Fodd bynnag, ar ôl cyfnod o storio, Gellir ymgorffori'r rhan hon o lithiwm metelaidd yn y graffit eto; mewn defnydd gwirioneddol, mae'r amser silff yn aml yn fyr, ac nid oes unrhyw sicrwydd y gellir ymgorffori'r holl lithiwm metelaidd yn y graffit eto, felly gall achosi rhywfaint o lithiwm metelaidd i barhau i fodoli yn yr electrod negyddol. Bydd wyneb y batri lithiwm-ion yn effeithio ar gapasiti'r batri lithiwm-ion a gall gynhyrchu dendrites lithiwm sy'n peryglu diogelwch y batri lithiwm-ion. Felly, ceisiwch osgoi codi tâl ar y batri lithiwm-ion ar dymheredd isel. Mae cerrynt isel, ac ar ôl ei osod, yn sicrhau digon o amser silff i ddileu'r lithiwm metel yn yr electrod graffit negyddol.

Mae'r erthygl hon yn cyfeirio'n bennaf at y dogfennau canlynol. Dim ond i gyflwyno ac adolygu gweithiau gwyddonol cysylltiedig, addysgu ystafell ddosbarth ac ymchwil wyddonol y defnyddir yr adroddiad. Nid ar gyfer defnydd masnachol. Os oes gennych unrhyw faterion hawlfraint, mae croeso i chi gysylltu â ni.

1.Graddfa gallu deunyddiau graffit fel electrodau negyddol mewn cynwysyddion lithiwm-ion,Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335, SRSivakkumar, JY Nerkar,AG Pandolfo

2. Platio lithiwm mewn batris lithiwm-ion wedi'i archwilio gan lacio foltedd a diffreithiant niwtronau yn y fan a'r lle, 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

Platio 3.Lithium mewn batris lithiwm-ion ar dymheredd is-amgylchynol a ymchwiliwyd gan diffraction niwtron in situ, 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