Зимата идва, вижте феномена на нискотемпературния анализ на литиево-йонните батерии

Производителността на литиево-йонните батерии е силно повлияна от кинетичните им характеристики. Тъй като Li+ трябва да бъде десолватиран първо, когато е вграден в графитния материал, той трябва да изразходва определено количество енергия и да възпрепятства дифузията на Li+ в графита. Напротив, когато Li+ се освободи от графитния материал в разтвора, процесът на солватация ще се случи първо и процесът на солватация не изисква консумация на енергия. Li+ може бързо да отстрани графита, което води до значително по-лошо приемане на заряда от графитния материал. В приемливостта на изхвърляне.

При ниски температури кинетичните характеристики на отрицателния графитен електрод се подобряват и се влошават. Следователно електрохимичната поляризация на отрицателния електрод се засилва значително по време на процеса на зареждане, което лесно може да доведе до утаяване на метален литий върху повърхността на отрицателния електрод. Изследвания на Кристиан фон Людерс от Техническия университет в Мюнхен, Германия, показват, че при -2°C скоростта на заряд надвишава C/2, а количеството на утаяването на метален литий значително се увеличава. Например, при скоростта C/2, количеството литиево покритие върху повърхността на противоположния електрод е около целия заряд. 5.5% от капацитета, но ще достигне 9% при 1C увеличение. Утаеният метален литий може да се развие допълнително и в крайна сметка да стане литиеви дендрити, пробиващи през диафрагмата и причинявайки късо съединение на положителните и отрицателните електроди. Поради това е необходимо да избягвате максимално зареждането на литиево-йонната батерия при ниски температури. Когато трябва да зарежда батерията при ниска температура, е важно да изберете малък ток, за да заредите литиево-йонната батерия колкото е възможно повече и да съхранявате напълно литиево-йонната батерия след зареждане, за да се гарантира, че металният литий се утаява от отрицателния електрод може да реагира с графит и да се вгради отново в отрицателния графитен електрод.

Вероника Зинт и други от Техническия университет в Мюнхен използваха неутронна дифракция и други методи за изследване на поведението на еволюция на лития на литиево-йонните батерии при ниска температура от -20°C. Неутронната дифракция е нов метод за откриване през последните години. В сравнение с XRD, неутронната дифракция е по-чувствителна към леки елементи (Li, O, N и т.н.), така че е много подходяща за неразрушаващо тестване на литиево-йонни батерии.

В експеримента VeronikaZinth използва батерията NMC111/graphite 18650, за да проучи поведението на еволюцията на лития на литиево-йонните батерии при ниски температури. Батерията се зарежда и разрежда по време на теста в съответствие с процеса, показан на фигурата по-долу.

Следващата фигура показва фазовата промяна на отрицателния електрод при различни SoC по време на втория цикъл на зареждане при зареждане със скорост C/30. Може да изглежда, че при 30.9% SoC фазите на отрицателния електрод са главно LiC12, Li1-XC18 и малко количество LiC6 състав; след като SoC надхвърли 46%, интензитетът на дифракция на LiC12 продължава да намалява, докато мощността на LiC6 продължава да се увеличава. Въпреки това, дори след като приключи окончателното зареждане, тъй като само 1503mAh се зарежда при ниска температура (капацитетът е 1950mAh при стайна температура), LiC12 съществува в отрицателния електрод. Да предположим, че зарядният ток е намален до C/100. В този случай батерията все още може да получи капацитет от 1950mAh при ниски температури, което показва, че намаляването на мощността на литиево-йонните батерии при ниски температури се дължи главно на влошаване на кинетичните условия.

Фигурата по-долу показва фазовата промяна на графита в отрицателния електрод по време на зареждане според скоростта C/5 при ниска температура от -20°C. Може да се види, че фазовата промяна на графита е значително различна в сравнение със скоростта на зареждане C/30. От фигурата може да се види, че когато SoC>40%, фазовата сила на батерията LiC12 при скоростта на зареждане C/5 намалява значително по-бавно, а увеличаването на фазовата сила на LiC6 също е значително по-слабо от това на C/30 процент на таксуване. Това показва, че при относително висока скорост от C/5, по-малко LiC12 продължава да интеркалира литий и се превръща в LiC6.

Фигурата по-долу сравнява фазовите промени на отрицателния графитен електрод при зареждане съответно със скорости C/30 и C/5. Фигурата показва, че за две различни скорости на зареждане, бедната на литий фаза Li1-XC18 е много сходна. Разликата се отразява главно в двете фази на LiC12 и LiC6. От фигурата може да се види, че тенденцията на промяна на фазата в отрицателния електрод е относително близка в началния етап на зареждане при двете скорости на зареждане. За фазата LiC12, когато капацитетът на зареждане достигне 950 mAh (49% SoC), тенденцията на промяна започва да изглежда различна. Когато става дума за 1100 mAh (56.4% SoC), фазата LiC12 при двете увеличения започва да показва значителна разлика. При зареждане с ниска скорост от C/30, спадът на степента на LiC12 е много бърз, но спадът на фазата на LiC12 при скорост C/5 е много по-бавен; тоест, кинетичните условия на вкарване на литий в отрицателния електрод се влошават при ниски температури. , Така че LiC12 допълнително интеркалира литий, за да генерира LiC6 фазовата скорост е намалена. Съответно, фазата на LiC6 се увеличава много бързо при ниска скорост от C/30, но е много по-бавна при скорост C/5. Това показва, че при скоростта C/5, по-малък Li е вграден в кристалната структура на графита, но това, което е интересно е, че капацитетът на зареждане на батерията (1520.5 mAh) при скорост на зареждане C/5 е по-висок от този при C /30 такса. Мощността (1503.5mAh) е по-висока. Допълнителният Li, който не е вграден в отрицателния графитен електрод, вероятно ще се утаи върху графитната повърхност под формата на метален литий. Процесът на изправяне след края на зареждането също доказва това отстрани — малко.

Следващата фигура показва фазовата структура на отрицателния графитен електрод след зареждане и след като е оставен за 20 часа. В края на зареждането фазата на отрицателния графитен електрод е много различна при двете скорости на зареждане. При C/5 съотношението на LiC12 в графитния анод е по-високо, а процентът на LiC6 е по-нисък, но след престой в продължение на 20 часа разликата между двете е станала минимална.

Фигурата по-долу показва фазовата промяна на отрицателния графитен електрод по време на 20-часовия процес на съхранение. От фигурата може да се види, че въпреки че фазите на двата противоположни електрода са все още много различни в началото, с увеличаване на времето за съхранение двата вида зареждане Етапът на графитния анод под увеличението се е променил много близо. LiC12 може да продължи да се превръща в LiC6 по време на процеса на поставяне на стелажи, което показва, че Li ще продължи да бъде вграден в графита по време на процеса на поставяне на стелажи. Тази част от Li вероятно е метален литий, утаен върху повърхността на отрицателния графитен електрод при ниска температура. По-нататъшният анализ показа, че в края на зареждането със скорост C/30 степента на литиево интеркалиране на отрицателния графитен електрод е 68%. Все пак степента на интеркалация на литий се е увеличила до 71% след поставяне на стелажи, което е увеличение от 3%. В края на зареждането със скорост C/5, степента на вмъкване на литий в отрицателния графитен електрод беше 58%, но след като се остави за 20 часа, се увеличи до 70%, общо увеличение от 12%.

Горното изследване показва, че при зареждане при ниски температури капацитетът на батерията ще намалее поради влошаване на кинетичните условия. Той също така ще утаи металния литий върху повърхността на отрицателния електрод поради намаляването на скоростта на вкарване на графитния литий. Въпреки това, след период на съхранение, тази част от метален литий може отново да бъде вградена в графита; при реална употреба времето на съхранение често е кратко и няма гаранция, че целият метален литий може да бъде вграден отново в графита, така че може да доведе до това да продължи да съществува метален литий в отрицателния електрод. Повърхността на литиево-йонната батерия ще повлияе на капацитета на литиево-йонната батерия и може да произведе литиеви дендрити, които застрашават безопасността на литиево-йонната батерия. Затова се опитайте да избягвате зареждането на литиево-йонната батерия при ниски температури. Нисък ток и след настройка осигурете достатъчно време за съхранение, за да елиминирате металния литий в отрицателния графитен електрод.

Тази статия се отнася главно до следните документи. Докладът се използва само за представяне и преглед на свързани научни трудове, преподаване в класната стая и научни изследвания. Не за търговска употреба. Ако имате някакви проблеми с авторските права, не се колебайте да се свържете с нас.

1. Възможност за скорост на графитни материали като отрицателни електроди в литиево-йонни кондензатори, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2.Литиево покритие в литиево-йонни батерии, изследвано чрез релаксация на напрежението и in situ неутронна дифракция, Journal of Power Sources 342(2017)17-23, Christian von Lüders, Veronika Zinth, Simon V.Erhard, Patrick J.Osswald, Michael Hofman , Ралф Жил, Андреас Жосен

3.Литиево покритие в литиево-йонни батерии при температури под околните, изследвани чрез in situ неутронна дифракция, Journal of Power Sources 271 (2014) 152-159, Вероника Цинт, Кристиан фон Людерс, Михаел Хофман, Йоханес Хатендорф, Ирмгард Симон Бухберг Ерхард, Джоана Ребело-Корнмайер, Андреас Йосен, Ралф Жил