Veturinn er að koma, sjáðu lághitagreiningarfyrirbærið litíumjónarafhlöður

Afköst litíumjónarafhlöðu hafa mikil áhrif á hreyfieiginleika þeirra. Þar sem Li+ þarf fyrst að leysast upp þegar það er fellt inn í grafítefnið, þarf það að eyða ákveðnu magni af orku og hindra dreifingu Li+ inn í grafítið. Þvert á móti, þegar Li+ er losað úr grafítefninu í lausnina, mun lausnarferlið eiga sér stað fyrst og lausnarferlið krefst ekki orkunotkunar. Li+ getur fljótt fjarlægt grafítið, sem leiðir til verulega lakari hleðsluviðtöku grafítefnisins. Í útskrift ásættanlegt.

Við lágt hitastig hafa hreyfieiginleikar neikvæða grafít rafskautsins batnað og versnað. Þess vegna er rafefnafræðileg pólun neikvæða rafskautsins verulega aukin meðan á hleðsluferlinu stendur, sem getur auðveldlega leitt til útfellingar málmlitíums á yfirborði neikvæða rafskautsins. Rannsóknir Christian von Lüders við Tækniháskólann í Munchen í Þýskalandi hafa sýnt að við -2°C fer hleðsluhraðinn yfir C/2 og magn litíumúrkomu úr málmi eykst verulega. Til dæmis, á C/2 hraðanum, er magn litíumhúðunarinnar á yfirborði gagnstæða rafskautsins um alla hleðsluna. 5.5% af afkastagetu en mun ná 9% við 1C stækkun. Útfellt málmlitíum getur þróast enn frekar og að lokum orðið að litíumdendrítum, sem stingur í gegnum þindina og veldur skammhlaupi á jákvæðu og neikvæðu rafskautunum. Þess vegna er nauðsynlegt að forðast að hlaða litíumjónarafhlöðuna við lágan hita eins mikið og mögulegt er. Þegar það verður að hlaða rafhlöðuna við lágt hitastig er nauðsynlegt að velja lítinn straum til að hlaða litíum-rafhlöðuna eins mikið og mögulegt er og geyma litíum-rafhlöðuna að fullu eftir hleðslu til að tryggja að málmlitíum falli út úr neikvæðu rafskautinu getur brugðist við grafít og aftur innbyggt í neikvæða grafít rafskautið.

Veronika Zinth og fleiri við Tækniháskólann í Munchen notuðu nifteindabeygju og aðrar aðferðir til að rannsaka litíumþróunarhegðun litíumjónarafhlöðu við lágan hita, -20°C. Nifteindadiffrun hefur verið ný greiningaraðferð undanfarin ár. Í samanburði við XRD er nifteindadiffrun næmari fyrir léttum þáttum (Li, O, N, osfrv.), Svo það er mjög hentugur fyrir ekki eyðileggjandi prófun á litíumjónarafhlöðum.

Í tilrauninni notaði VeronikaZinth NMC111/grafít 18650 rafhlöðuna til að rannsaka litíumþróunarhegðun litíumjónarafhlöðu við lágt hitastig. Rafhlaðan er hlaðin og tæmd meðan á prófinu stendur samkvæmt ferlinu sem sýnt er á myndinni hér að neðan.

Eftirfarandi mynd sýnir fasabreytingu neikvæða rafskautsins undir mismunandi SoCs á seinni hleðslulotunni við C/30 hraða hleðslu. Það getur virst að við 30.9% SoC séu fasar neikvæðu rafskautsins aðallega LiC12, Li1-XC18 og lítið magn af LiC6 samsetningu; eftir að SoC fer yfir 46% heldur sveigjustyrkur LiC12 áfram að minnka á meðan kraftur LiC6 heldur áfram að aukast. Hins vegar, jafnvel eftir að endanlegri hleðslu er lokið, þar sem aðeins 1503mAh er hlaðið við lágan hita (getan er 1950mAh við stofuhita), er LiC12 til í neikvæða rafskautinu. Segjum að hleðslustraumurinn sé lækkaður í C/100. Í því tilviki getur rafhlaðan enn náð 1950mAh afkastagetu við lágt hitastig, sem gefur til kynna að minnkun á krafti litíumjónarafhlöðu við lágt hitastig sé aðallega vegna versnunar á hreyfiskilyrðum.

Myndin hér að neðan sýnir fasabreytingu grafíts í neikvæða rafskautinu við hleðslu í samræmi við C/5 hraðann við lágan hita, -20°C. Það getur séð að fasabreyting grafíts er verulega frábrugðin C/30 hraðahleðslu. Það má sjá á myndinni að þegar SoC>40% minnkar fasastyrkur rafhlöðunnar LiC12 við C/5 hleðsluhraða verulega hægar og aukning á LiC6 fasastyrk er einnig töluvert veikari en C/30. gjaldgengi. Það sýnir að á tiltölulega háum hraða C/5 heldur minna LiC12 áfram að fletta litíum og breytist í LiC6.

Myndin hér að neðan ber saman fasabreytingar neikvæða grafítrafskautsins við hleðslu við C/30 og C/5 hraða, í sömu röð. Myndin sýnir að fyrir tvo mismunandi hleðsluhraða er litíum-lélegur fasinn Li1-XC18 mjög svipaður. Munurinn endurspeglast aðallega í tveimur stigum LiC12 og LiC6. Það má sjá á myndinni að fasabreytingarstefna í neikvæða rafskautinu er tiltölulega nálægt á upphafsstigi hleðslu undir hleðsluhraða tveimur. Fyrir LiC12 áfangann, þegar hleðslugetan nær 950mAh (49% SoC), byrjar breytingastefnan að virðast önnur. Þegar það kemur 1100mAh (56.4% SoC), byrjar LiC12 fasinn undir stækkununum tveimur að sýna verulegan bil. Þegar hleðsla er á lágum hraða C/30 er hnignun LiC12 stigs mjög hröð, en fall LiC12 fasa á C/5 hraða er mun hægari; það er að segja, hreyfiskilyrði litíuminnsetningar í neikvæða rafskautið versna við lágt hitastig. , Svo að LiC12 intercalates frekar litíum til að mynda LiC6 fasa hraði minnkaði. Að sama skapi eykst LiC6 fasinn mjög hratt við lágan hraða C/30 en er mun hægari á hraðanum C/5. Þetta sýnir að á C/5 hraðanum er meira petite Li fellt inn í kristalbyggingu grafíts, en það sem er áhugavert er að hleðslugeta rafhlöðunnar (1520.5mAh) við C/5 hleðsluhraða er hærri en í C /30 gjald gjald. Krafturinn (1503.5mAh) er meiri. Auka Li sem er ekki fellt inn í neikvæða grafít rafskautið er líklegt til að falla út á grafítyfirborðið í formi málmlitíums. Standandi ferlið eftir lok hleðslu sannar þetta líka frá hliðinni - svolítið.

Eftirfarandi mynd sýnir fasabyggingu neikvæða grafít rafskautsins eftir hleðslu og eftir að hafa verið látin standa í 20 klukkustundir. Í lok hleðslu er fasi neikvæða grafít rafskautsins mjög mismunandi undir hleðsluhraða tveimur. Við C/5 er hlutfall LiC12 í grafítskautinu hærra og hlutfall LiC6 er lægra, en eftir að hafa staðið í 20 klukkustundir er munurinn á þessu tvennu orðinn lítill.

Myndin hér að neðan sýnir fasabreytingu neikvæða grafít rafskautsins meðan á 20 klst geymsluferli stendur. Það má sjá á myndinni að þó fasar tveggja andstæðra rafskautanna séu enn mjög mismunandi í upphafi, eftir því sem geymslutíminn eykst, þá hafa tvær tegundir hleðslu. Stig grafítskautsins undir stækkuninni hefur breyst mjög nálægt. LiC12 er hægt að halda áfram að breyta í LiC6 meðan á hilluferlinu stendur, sem gefur til kynna að Li muni halda áfram að vera innbyggt í grafítið meðan á hilluferlinu stendur. Þessi hluti af Li er líklegur til að vera málmi litíum útfellt yfirborð neikvæða grafít rafskautsins við lágan hita. Frekari greining sýndi að við lok hleðslu við C/30 hraðann var litíuminnskot neikvæða grafítrafskautsins 68%. Samt sem áður jókst magn litíuminnskots í 71% eftir hillur, sem er aukning um 3%. Við lok hleðslu á C/5 hraða var litíuminnskotsstig neikvæða grafít rafskautsins 58%, en eftir að hafa verið látið standa í 20 klukkustundir jókst það í 70%, sem er alls 12%.

Ofangreindar rannsóknir sýna að við hleðslu við lágt hitastig mun rafgeymirinn minnka vegna versnunar á hreyfiskilyrðum. Það mun einnig fella út litíummálminn á yfirborð neikvæða rafskautsins vegna lækkunar á innsetningarhraða grafítlitíums. Hins vegar, eftir geymslutíma, er hægt að fella þennan hluta málmlitíums aftur inn í grafítið; í raunverulegri notkun er geymslutíminn oft stuttur og það er engin trygging fyrir því að hægt sé að fella allt málmlitíum inn í grafítið aftur, þannig að það gæti valdið því að eitthvað málmlitíum haldi áfram að vera til í neikvæða rafskautinu. Yfirborð litíumjónarafhlöðunnar mun hafa áhrif á afkastagetu litíumjónarafhlöðunnar og getur framleitt litíumdendrít sem stofnar öryggi litíumjónarafhlöðunnar í hættu. Reyndu því að forðast að hlaða litíumjónarafhlöðuna við lágt hitastig. Lágur straumur, og eftir stillingu, tryggðu nægan geymslutíma til að útrýma málmlitíum í neikvæðu grafítrafskautinu.

Þessi grein vísar aðallega til eftirfarandi skjala. Skýrslan er eingöngu notuð til að kynna og endurskoða tengd vísindastörf, kennslustofu og vísindarannsóknir. Ekki til notkunar í atvinnuskyni. Ef þú hefur einhverjar höfundarréttarvandamál skaltu ekki hika við að hafa samband við okkur.

1.Rate hæfileiki grafítefna sem neikvæð rafskaut í litíumjónaþéttum,Electtrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335, SRSivakkumar,JY Nerkar,AG Pandolfo

2.Lithíumhúðun í litíumjónarafhlöðum rannsökuð með spennuslökun og nifteindadreifingu á staðnum,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.Lithíumhúðun í litíumjónarafhlöðum við umhverfishitastig rannsökuð með nifteindadreifingu á staðnum, Journal of Power Sources 271 (2014) 152-159, Veronika Zinth, Christian von Lüders, Michael Hofmann, Johannes Hattendorff, Irmgard Buchberger, Erhard, Joana Rebelo-Kornmeier, Andreas Jossen, Ralph Gilles