ზამთარი მოდის, შეხედეთ ლითიუმ-იონური ბატარეების დაბალი ტემპერატურის ანალიზის ფენომენს

ლითიუმ-იონური ბატარეების მუშაობაზე დიდ გავლენას ახდენს მათი კინეტიკური მახასიათებლები. იმის გამო, რომ Li+ ჯერ უნდა დაიშალა, როდესაც ის გრაფიტის მასალაშია ჩასმული, მან უნდა მოიხმაროს გარკვეული რაოდენობის ენერგია და შეაფერხოს Li+-ის დიფუზია გრაფიტში. პირიქით, როდესაც Li+ გამოიყოფა გრაფიტის მასალისგან ხსნარში, პირველ რიგში მოხდება ხსნარის პროცესი, ხოლო ხსნარის პროცესი არ საჭიროებს ენერგიის მოხმარებას. Li+-ს შეუძლია სწრაფად ამოიღოს გრაფიტი, რაც იწვევს გრაფიტის მასალის მუხტის ცუდ მიღებას. გამონადენის დასაშვებად.

დაბალ ტემპერატურაზე უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდის კინეტიკური მახასიათებლები გაუმჯობესდა და გაუარესდა. ამრიგად, უარყოფითი ელექტროდის ელექტროქიმიური პოლარიზაცია მნიშვნელოვნად ძლიერდება დამუხტვის პროცესში, რამაც ადვილად შეიძლება გამოიწვიოს ლითონის ლითიუმის დალექვა უარყოფითი ელექტროდის ზედაპირზე. გერმანიის მიუნხენის ტექნიკური უნივერსიტეტის კრისტიან ფონ ლუდერსის კვლევამ აჩვენა, რომ -2°C-ზე დატენვის სიჩქარე აღემატება C/2-ს, ხოლო ლითონის ლითიუმის ნალექის რაოდენობა მნიშვნელოვნად გაიზარდა. მაგალითად, C/2 სიჩქარით, მოპირდაპირე ელექტროდის ზედაპირზე ლითიუმის მოპირკეთების რაოდენობა არის დაახლოებით მთელი მუხტი. სიმძლავრის 5.5%, მაგრამ მიაღწევს 9%-ს 1C გადიდების პირობებში. ნალექი მეტალის ლითიუმი შეიძლება შემდგომ განვითარდეს და საბოლოოდ იქცეს ლითიუმის დენდრიტებად, გაიჭრას დიაფრაგმაში და გამოიწვიოს დადებითი და უარყოფითი ელექტროდების მოკლე ჩართვა. ამიტომ აუცილებელია, მაქსიმალურად მოერიდოთ ლითიუმ-იონური ბატარეის დატენვას დაბალ ტემპერატურაზე. როდესაც ბატარეა დაბალ ტემპერატურაზე უნდა დაიტენოს, აუცილებელია აირჩიოთ მცირე დენი ლითიუმ-იონური ბატარეის მაქსიმალურად დასატენად და სრულად შეინახოთ ლითიუმ-იონური ბატარეა დატენვის შემდეგ, რათა უზრუნველყოთ, რომ მეტალის ლითიუმი დაგროვდება უარყოფითი ელექტროდიდან. შეუძლია რეაგირება მოახდინოს გრაფიტთან და ხელახლა ჩანერგოს უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდში.

ვერონიკა ზინტმა და მიუნხენის ტექნიკური უნივერსიტეტის სხვებმა გამოიყენეს ნეიტრონის დიფრაქცია და სხვა მეთოდები ლითიუმ-იონური ბატარეების ლითიუმის ევოლუციის ქცევის შესასწავლად დაბალ ტემპერატურაზე -20°C. ნეიტრონული დიფრაქცია ბოლო წლებში აღმოჩენის ახალი მეთოდია. XRD-თან შედარებით, ნეიტრონის დიფრაქცია უფრო მგრძნობიარეა მსუბუქი ელემენტების მიმართ (Li, O, N და ა.

ექსპერიმენტში VeronikaZinth-მა გამოიყენა NMC111/graphite 18650 ბატარეა ლითიუმ-იონური ბატარეების ლითიუმის ევოლუციის ქცევის შესასწავლად დაბალ ტემპერატურაზე. ბატარეა იტენება და იხსნება ტესტის დროს ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში ნაჩვენები პროცესის მიხედვით.

შემდეგი სურათი გვიჩვენებს უარყოფითი ელექტროდის ფაზურ ცვლილებას სხვადასხვა SoC-ების ქვეშ მეორე დამუხტვის ციკლის დროს C/30 სიჩქარის დამუხტვის დროს. შეიძლება ჩანდეს, რომ 30.9% SoC-ზე, უარყოფითი ელექტროდის ფაზები ძირითადად LiC12, Li1-XC18 და მცირე რაოდენობით LiC6 შემადგენლობაა; მას შემდეგ, რაც SoC გადააჭარბებს 46%-ს, LiC12-ის დიფრაქციული ინტენსივობა აგრძელებს კლებას, ხოლო LiC6-ის სიმძლავრე აგრძელებს მატებას. თუმცა, საბოლოო დატენვის დასრულების შემდეგაც კი, ვინაიდან მხოლოდ 1503 mAh იტენება დაბალ ტემპერატურაზე (ტევადობა არის 1950 mAh ოთახის ტემპერატურაზე), LiC12 არსებობს უარყოფით ელექტროდში. დავუშვათ, დატენვის დენი შემცირებულია C/100-მდე. ამ შემთხვევაში, ბატარეას შეუძლია კვლავ მიიღოს 1950 mAh სიმძლავრე დაბალ ტემპერატურაზე, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ლითიუმ-იონური ბატარეების სიმძლავრის შემცირება დაბალ ტემპერატურაზე ძირითადად კინეტიკური პირობების გაუარესებით არის განპირობებული.

ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს გრაფიტის ფაზურ ცვლილებას უარყოფით ელექტროდში დატენვისას C/5 სიჩქარის მიხედვით დაბალ ტემპერატურაზე -20°C. ხედავს, რომ გრაფიტის ფაზური ცვლილება მნიშვნელოვნად განსხვავდება C/30 სიჩქარის დამუხტვასთან შედარებით. ნახატიდან ჩანს, რომ როდესაც SoC>40%, ბატარეის LiC12 ფაზური სიძლიერე C/5 დატენვის სიჩქარის ქვეშ მცირდება მნიშვნელოვნად ნელა, ხოლო LiC6 ფაზის სიძლიერის ზრდა ასევე მნიშვნელოვნად სუსტია, ვიდრე C/30-ის. დატენვის განაკვეთი. ის აჩვენებს, რომ C/5 შედარებით მაღალი სიჩქარით, ნაკლები LiC12 აგრძელებს ლითიუმის ინტერკალაციას და გარდაიქმნება LiC6-ად.

ქვემოთ მოყვანილი სურათი ადარებს უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდის ფაზურ ცვლილებებს C/30 და C/5 სიჩქარით დატენვისას, შესაბამისად. სურათი გვიჩვენებს, რომ ორი განსხვავებული დატენვის სიჩქარისთვის, ლითიუმით ღარიბი ფაზა Li1-XC18 ძალიან ჰგავს. განსხვავება ძირითადად აისახება LiC12 და LiC6 ორ ფაზაში. ნახატიდან ჩანს, რომ უარყოფითი ელექტროდში ფაზის ცვლილების ტენდენცია შედარებით ახლოსაა დამუხტვის საწყის ეტაპზე ორი დატენვის სიჩქარით. LiC12 ფაზაში, როდესაც დატენვის სიმძლავრე აღწევს 950 mAh (49% SoC), ცვალებადი ტენდენცია იწყება განსხვავებული. როდესაც საქმე ეხება 1100 mAh (56.4% SoC), LiC12 ფაზა ორი გადიდების ქვეშ იწყებს მნიშვნელოვანი უფსკრულის ჩვენებას. C/30 დაბალი სიჩქარით დატენვისას, LiC12 სტადიის კლება ძალიან სწრაფია, მაგრამ LiC12 ფაზის ვარდნა C/5 სიჩქარით გაცილებით ნელია; ანუ უარყოფით ელექტროდში ლითიუმის შეყვანის კინეტიკური პირობები უარესდება დაბალ ტემპერატურაზე. ასე რომ, LiC12 შემდგომში აერთებს ლითიუმს LiC6-ის წარმოქმნის მიზნით, ფაზის სიჩქარე შემცირდა. შესაბამისად, LiC6 ფაზა ძალიან სწრაფად იზრდება C/30 დაბალი სიჩქარით, მაგრამ გაცილებით ნელია C/5 სიჩქარით. ეს გვიჩვენებს, რომ C/5 სიჩქარით, გრაფიტის კრისტალურ სტრუქტურაში უფრო წვრილმანი Li არის ჩადებული, მაგრამ საინტერესო ის არის, რომ ბატარეის დამუხტვის სიმძლავრე (1520.5 mAh) C/5 დატენვის სიჩქარეზე უფრო მაღალია, ვიდრე C-ზე. /30 დატენვის ტარიფი. სიმძლავრე (1503.5 mAh) უფრო მაღალია. დამატებითი Li, რომელიც არ არის ჩასმული უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდში, სავარაუდოდ, დალექილი იქნება გრაფიტის ზედაპირზე მეტალის ლითიუმის სახით. დატენვის დასრულების შემდეგ დგომაც ამას მოწმობს გვერდიდან-ცოტათი.

ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდის ფაზურ სტრუქტურას დატენვის შემდეგ და 20 საათის განმავლობაში დატოვების შემდეგ. დამუხტვის ბოლოს, უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდის ფაზა ძალიან განსხვავდება დატენვის ორი სიჩქარის მიხედვით. C/5-ზე LiC12-ის თანაფარდობა გრაფიტის ანოდში უფრო მაღალია, ხოლო LiC6-ის პროცენტული მაჩვენებელი დაბალია, მაგრამ 20 საათის განმავლობაში დგომის შემდეგ განსხვავება ამ ორს შორის მინიმალური გახდა.

ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდის ფაზურ ცვლილებას 20 საათის შენახვის პროცესში. ნახატიდან ჩანს, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ორი დაპირისპირებული ელექტროდის ფაზები ჯერ კიდევ ძალიან განსხვავებულია დასაწყისში, შენახვის დროის მატებასთან ერთად, დატენვის ორი ტიპი. გრაფიტის ანოდის ეტაპი გადიდების ქვეშ ძალიან ახლოს შეიცვალა. LiC12 შეიძლება გააგრძელოს LiC6-ად გარდაქმნა თაროებზე დაყენების პროცესში, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ Li გააგრძელებს ჩადგმას გრაფიტში თაროების დაყენების პროცესში. Li-ის ეს ნაწილი, სავარაუდოდ, არის მეტალის ლითიუმით დალექილი უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდის ზედაპირზე დაბალ ტემპერატურაზე. შემდგომმა ანალიზმა აჩვენა, რომ C/30 სიჩქარით დატენვის ბოლოს, უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდის ლითიუმის ინტერკალაციის ხარისხი იყო 68%. მიუხედავად ამისა, ლითიუმის ინტერკალაციის ხარისხი გაიზარდა 71%-მდე თაროებზე დაყენების შემდეგ, ზრდა 3%-ით. C/5 სიჩქარით დამუხტვის ბოლოს, უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდის ლითიუმის ჩასმის ხარისხი იყო 58%, მაგრამ 20 საათის განმავლობაში დატოვების შემდეგ ის გაიზარდა 70%-მდე, მთლიანი ზრდა 12%.

ზემოაღნიშნული კვლევა აჩვენებს, რომ დაბალ ტემპერატურაზე დატენვისას ბატარეის სიმძლავრე შემცირდება კინეტიკური პირობების გაუარესების გამო. ის ასევე დაალექებს ლითიუმის ლითონს უარყოფითი ელექტროდის ზედაპირზე, გრაფიტის ლითიუმის შეყვანის სიჩქარის შემცირების გამო. თუმცა, შენახვის პერიოდის შემდეგ, მეტალის ლითიუმის ეს ნაწილი შეიძლება კვლავ ჩაერთოს გრაფიტში; რეალურ გამოყენებაში შენახვის დრო ხშირად მოკლეა და არ არსებობს გარანტია იმისა, რომ მთელი მეტალის ლითიუმი შეიძლება კვლავ ჩაერთოს გრაფიტში, ასე რომ, ამან შეიძლება გამოიწვიოს გარკვეული მეტალის ლითიუმის არსებობა უარყოფით ელექტროდში. ლითიუმ-იონური ბატარეის ზედაპირი იმოქმედებს ლითიუმ-იონური ბატარეის სიმძლავრეზე და შეიძლება წარმოქმნას ლითიუმის დენდრიტები, რომლებიც საფრთხეს უქმნის ლითიუმ-იონური ბატარეის უსაფრთხოებას. ამიტომ, შეეცადეთ თავიდან აიცილოთ ლითიუმ-იონური ბატარეის დატენვა დაბალ ტემპერატურაზე. დაბალი დენი და დაყენების შემდეგ, უზრუნველყოთ შენახვის საკმარისი დრო უარყოფითი გრაფიტის ელექტროდში ლითონის ლითიუმის აღმოსაფხვრელად.

ეს სტატია ძირითადად ეხება შემდეგ დოკუმენტებს. მოხსენება გამოიყენება მხოლოდ დაკავშირებული სამეცნიერო ნაშრომების, საკლასო სწავლებისა და სამეცნიერო კვლევების გაცნობისა და განხილვისათვის. არა კომერციული გამოყენებისთვის. თუ თქვენ გაქვთ რაიმე საავტორო უფლებების პრობლემა, გთხოვთ, მოგერიდებათ დაგვიკავშირდეთ.

1. შეაფასეთ გრაფიტის მასალების, როგორც უარყოფითი ელექტროდების შესაძლებლობები ლითიუმ-იონურ კონდენსატორებში, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335, SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2. ლითიუმით დაფარვა ლითიუმ-იონურ ბატარეებში, გამოკვლეული ძაბვის რელაქსაციისა და in situ ნეიტრონის დიფრაქციის საშუალებით, Journal of Power Sources 342(2017)17-23, Christian von Lüders, Veronika Zinth, Simon V.Erhard, Patrick J.Osswald, Michael Hof , რალფ ჟილესი, ანდრეას იოსენი

3. ლითიუმით დაფარვა ლითიუმ-იონურ ბატარეებში ქვე-ატმოსფერულ ტემპერატურაზე გამოკვლეული in situ ნეიტრონული დიფრაქციის მიერ, Journal of Power Sources 271 (2014) 152-159, Veronika Zinth, Christian von Lüders, Michael Hofmann, Johannes Hattendorfer, Irmgard Buch ერჰარდ, ჯოანა რებელო-კორნმაიერი, ანდრეას იოსენი, რალფ ჟილესი