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Der Winter kommt, schauen Sie sich das Phänomen der Niedertemperaturanalyse von Lithium-Ionen-Batterien an

18 Oktober, 2021

By hoppt

Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien wird stark von ihren kinetischen Eigenschaften beeinflusst. Da Li+ beim Einbetten in das Graphitmaterial zunächst desolvatisiert werden muss, muss es eine gewisse Energie verbrauchen und die Diffusion von Li+ in das Graphit verhindern. Wenn dagegen Li+ aus dem Graphitmaterial in die Lösung freigesetzt wird, findet zuerst der Solvatationsprozess statt, und der Solvatationsprozess erfordert keinen Energieverbrauch. Li+ kann den Graphit schnell entfernen, was zu einer deutlich schlechteren Ladungsaufnahme des Graphitmaterials führt. In der Entlastungsakzeptanz .

Bei niedrigen Temperaturen haben sich die kinetischen Eigenschaften der negativen Graphitelektrode verbessert und verschlechtert. Dadurch wird die elektrochemische Polarisation der negativen Elektrode während des Ladevorgangs deutlich verstärkt, was leicht zur Abscheidung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode führen kann. Untersuchungen von Christian von Lüders von der Technischen Universität München, Deutschland, haben gezeigt, dass bei -2 °C die Laderate C/2 übersteigt und die Menge an metallischem Lithium deutlich erhöht ist. Beispielsweise ist bei der C/2-Rate die Menge an Lithiumplattierung auf der gegenüberliegenden Elektrodenoberfläche ungefähr die gesamte Ladung. 5.5 % der Kapazität, erreicht aber 9 % bei 1C-Vergrößerung. Das ausgefällte metallische Lithium kann sich weiter entwickeln und schließlich zu Lithiumdendriten werden, die das Diaphragma durchdringen und einen Kurzschluss der positiven und negativen Elektroden verursachen. Daher ist es notwendig, das Laden des Lithium-Ionen-Akkus bei niedrigen Temperaturen so weit wie möglich zu vermeiden. Wenn die Batterie bei niedriger Temperatur geladen werden muss, ist es wichtig, einen kleinen Strom zu wählen, um die Lithium-Ionen-Batterie so weit wie möglich aufzuladen, und die Lithium-Ionen-Batterie nach dem Laden vollständig zu lagern, um sicherzustellen, dass das metallische Lithium von der negativen Elektrode ausgefällt wird mit Graphit reagieren kann und wieder in die negative Graphitelektrode eingebettet wird.

Veronika Zinth und andere von der Technischen Universität München verwendeten Neutronenbeugung und andere Methoden, um das Lithiumentwicklungsverhalten von Lithium-Ionen-Batterien bei einer niedrigen Temperatur von -20 °C zu untersuchen. Die Neutronenbeugung ist in den letzten Jahren ein neues Nachweisverfahren gewesen. Im Vergleich zu XRD ist die Neutronenbeugung empfindlicher gegenüber leichten Elementen (Li, O, N usw.) und eignet sich daher sehr gut für die zerstörungsfreie Prüfung von Lithium-Ionen-Batterien.

In dem Experiment verwendete VeronikaZinth die Batterie NMC111/Graphit 18650, um das Lithiumentwicklungsverhalten von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen zu untersuchen. Die Batterie wird während des Tests gemäß dem in der folgenden Abbildung gezeigten Verfahren geladen und entladen.

Die folgende Abbildung zeigt die Phasenänderung der negativen Elektrode unter verschiedenen SoCs während des zweiten Ladezyklus bei C/30-Laderate. Es scheint, dass bei 30.9 % SoC die Phasen der negativen Elektrode hauptsächlich aus LiC12, Li1-XC18 und einer kleinen Menge LiC6 bestehen; nachdem der SoC 46 % überschritten hat, nimmt die Beugungsintensität von LiC12 weiter ab, während die Leistung von LiC6 weiter zunimmt. Da jedoch nur 1503 mAh bei niedriger Temperatur geladen werden (die Kapazität beträgt 1950 mAh bei Raumtemperatur), ist LiC12 in der negativen Elektrode vorhanden, selbst nachdem die letzte Ladung abgeschlossen ist. Angenommen, der Ladestrom wird auf C/100 reduziert. In diesem Fall kann die Batterie bei niedrigen Temperaturen immer noch eine Kapazität von 1950 mAh erreichen, was darauf hinweist, dass die Abnahme der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen hauptsächlich auf die Verschlechterung der kinetischen Bedingungen zurückzuführen ist.

Die folgende Abbildung zeigt die Phasenänderung von Graphit in der negativen Elektrode während des Ladens gemäß dem C/5-Verhältnis bei einer niedrigen Temperatur von -20 °C. Es ist ersichtlich, dass die Phasenänderung von Graphit im Vergleich zum Laden mit C/30-Rate signifikant unterschiedlich ist. Aus der Figur ist ersichtlich, dass bei SoC > 40 % die Phasenstärke der Batterie LiC12 unter der C/5-Laderate deutlich langsamer abnimmt und der Anstieg der LiC6-Phasenstärke auch deutlich schwächer ist als der der C/30 Ladestrom. Es zeigt, dass bei einer relativ hohen C/5-Rate weniger LiC12 weiterhin Lithium interkaliert und in LiC6 umgewandelt wird.

Die folgende Abbildung vergleicht die Phasenänderungen der negativen Graphitelektrode beim Laden mit C/30- bzw. C/5-Raten. Die Abbildung zeigt, dass für zwei unterschiedliche Laderaten die lithiumarme Phase Li1-XC18 sehr ähnlich ist. Der Unterschied spiegelt sich hauptsächlich in den beiden Phasen LiC12 und LiC6 wider. Aus der Figur ist ersichtlich, dass der Phasenänderungstrend in der negativen Elektrode im Anfangsstadium des Ladens unter den zwei Laderaten relativ nahe beieinander liegt. Für die LiC12-Phase, wenn die Ladekapazität 950 mAh (49 % SoC) erreicht, beginnt der sich ändernde Trend anders zu erscheinen. Wenn es um 1100 mAh (56.4 % SoC) geht, zeigt die LiC12-Phase unter den beiden Vergrößerungen eine deutliche Lücke. Beim Laden mit einer niedrigen Rate von C/30 ist der Abfall der LiC12-Stufe sehr schnell, aber der Abfall der LiC12-Phase bei der C/5-Rate ist viel langsamer; das heißt, die kinetischen Bedingungen der Lithiuminsertion in der negativen Elektrode verschlechtern sich bei niedrigen Temperaturen. , Damit LiC12 weiter Lithium interkaliert, um LiC6-Phasengeschwindigkeit zu erzeugen, verringert. Dementsprechend steigt die LiC6-Phase bei einer niedrigen Rate von C/30 sehr schnell an, ist aber bei einer Rate von C/5 viel langsamer. Dies zeigt, dass bei der C/5-Rate mehr zierliches Li in die Kristallstruktur von Graphit eingebettet ist, aber interessant ist, dass die Ladekapazität der Batterie (1520.5 mAh) bei der C/5-Laderate höher ist als die bei C /30 Gebührensatz. Die Leistung (1503.5 mAh) ist höher. Das zusätzliche Li, das nicht in die negative Graphitelektrode eingebettet ist, wird wahrscheinlich auf der Graphitoberfläche in Form von metallischem Lithium ausgefällt. Der Stehvorgang nach Ladeende beweist dies auch von der Seite – ein wenig.

Die folgende Abbildung zeigt die Phasenstruktur der negativen Graphitelektrode nach dem Laden und nach 20-stündiger Lagerung. Am Ende des Ladevorgangs ist die Phase der negativen Graphitelektrode bei den beiden Ladegeschwindigkeiten sehr unterschiedlich. Bei C/5 ist das Verhältnis von LiC12 in der Graphitanode höher und der Prozentsatz von LiC6 niedriger, aber nach 20-stündigem Stehen ist der Unterschied zwischen den beiden minimal geworden.

Die folgende Abbildung zeigt die Phasenänderung der negativen Graphitelektrode während des 20-stündigen Lagervorgangs. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass zwar die Phasen der beiden gegenüberliegenden Elektroden zu Beginn noch sehr unterschiedlich sind, mit zunehmender Lagerzeit sich jedoch die beiden Ladearten Das Stadium der Graphitanode unter der Vergrößerung sehr stark verändert hat. LiC12 kann während des Shelf-Prozesses weiterhin in LiC6 umgewandelt werden, was darauf hindeutet, dass Li während des Shelf-Prozesses weiterhin in das Graphit eingebettet wird. Dieser Teil von Li ist wahrscheinlich metallisches Lithium, das bei niedriger Temperatur auf der Oberfläche der negativen Graphitelektrode ausgefällt wird. Eine weitere Analyse zeigte, dass am Ende des Ladens mit der C/30-Rate der Grad der Lithium-Interkalation der negativen Graphitelektrode 68 % betrug. Dennoch stieg der Grad der Lithium-Interkalation auf 71 % nach dem Shelfing, eine Steigerung von 3 %. Am Ende des Ladens mit der C/5-Rate betrug der Lithium-Insertionsgrad der negativen Graphitelektrode 58 %, aber nach 20-stündigem Stehenlassen stieg er auf 70 %, eine Gesamtsteigerung von 12 %.

Die obige Untersuchung zeigt, dass beim Laden bei niedrigen Temperaturen die Batteriekapazität aufgrund der Verschlechterung der kinetischen Bedingungen abnimmt. Aufgrund der Abnahme der Graphit-Lithium-Einfügungsrate wird es auch das Lithiummetall auf der Oberfläche der negativen Elektrode ausfällen. Dieser Anteil an metallischem Lithium kann jedoch nach einer gewissen Lagerzeit wieder in den Graphit eingebettet werden; Bei der tatsächlichen Verwendung ist die Lagerzeit oft kurz, und es gibt keine Garantie dafür, dass das gesamte metallische Lithium wieder in den Graphit eingebettet werden kann, so dass es dazu führen kann, dass etwas metallisches Lithium weiterhin in der negativen Elektrode vorhanden ist. Die Oberfläche des Lithium-Ionen-Akkus beeinflusst die Kapazität des Lithium-Ionen-Akkus und kann Lithium-Dendriten bilden, die die Sicherheit des Lithium-Ionen-Akkus gefährden. Versuchen Sie daher, den Lithium-Ionen-Akku nicht bei niedrigen Temperaturen aufzuladen. Niedriger Strom und nach dem Abbinden eine ausreichende Standzeit sicherstellen, um das metallische Lithium in der negativen Graphitelektrode zu beseitigen.

Dieser Artikel bezieht sich hauptsächlich auf die folgenden Dokumente. Der Bericht dient nur der Vorstellung und Überprüfung verwandter wissenschaftlicher Arbeiten, des Unterrichts und der wissenschaftlichen Forschung. Nicht für den kommerziellen Gebrauch. Bei urheberrechtlichen Problemen können Sie sich gerne an uns wenden.

1. Bewerten Sie die Fähigkeit von Graphitmaterialien als negative Elektroden in Lithium-Ionen-Kondensatoren, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2.Lithiumplattierung in Lithium-Ionen-Batterien, untersucht durch Spannungsrelaxation und In-situ-Neutronenbeugung, 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.Lithiumbeschichtung in Lithium-Ionen-Batterien bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur, untersucht durch In-situ-Neutronenbeugung, 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

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