Igba otutu n bọ, wo iṣẹlẹ itupalẹ iwọn otutu kekere ti awọn batiri lithium-ion

Iṣe awọn batiri litiumu-ion jẹ ipa pupọ nipasẹ awọn abuda kainetik wọn. Nitori Li + nilo lati wa ni idahoro ni akọkọ nigbati o ba wa ni ifibọ ninu ohun elo graphite, o nilo lati jẹ iye agbara kan ki o ṣe idiwọ itankale Li + sinu graphite. Ni ilodi si, nigbati Li + ba ti tu silẹ lati awọn ohun elo graphite sinu ojutu, ilana ojutu yoo waye ni akọkọ, ati ilana ojutu ko nilo agbara agbara. Li + le yara yọ lẹẹdi kuro, eyiti o yori si gbigba idiyele talaka pupọ ti ohun elo lẹẹdi. Ni gbigba itusilẹ.

Ni awọn iwọn otutu kekere, awọn abuda kainetik ti elekiturodu lẹẹdi odi ti ni ilọsiwaju ati buru si. Nitorinaa, polarization elekitirodu ti elekiturodu odi ti pọ si ni pataki lakoko ilana gbigba agbara, eyiti o le ni irọrun ja si ojoriro ti litiumu ti fadaka lori dada elekiturodu odi. Iwadi nipasẹ Christian von Lüders ti Ile-ẹkọ Imọ-ẹrọ ti Munich, Jẹmánì, ti fihan pe ni -2 ° C, idiyele idiyele ti kọja C/2, ati iye ojoriro lithium irin ti pọ si ni pataki. Fun apẹẹrẹ, ni oṣuwọn C / 2, iye ti litiumu plating lori oju elekiturodu idakeji jẹ nipa gbogbo idiyele. 5.5% ti agbara ṣugbọn yoo de 9% labẹ titobi 1C. Litiumu onirin ti o ṣaju le dagbasoke siwaju ati nikẹhin di awọn dendrites lithium, lilu nipasẹ diaphragm ati nfa yiyi kukuru ti awọn amọna rere ati odi. Nitorinaa, o jẹ dandan lati yago fun gbigba agbara batiri lithium-ion ni iwọn otutu kekere bi o ti ṣee ṣe. Nigbati o ba gbọdọ gba agbara si batiri ni iwọn otutu kekere, o ṣe pataki lati yan lọwọlọwọ kekere lati gba agbara si batiri lithium-ion bi o ti ṣee ṣe ki o tọju batiri litiumu-ion ni kikun lẹhin gbigba agbara lati rii daju pe litiumu ti fadaka ti yọ jade lati inu elekiturodu odi. le fesi pẹlu lẹẹdi ki o si tun-ifibọ ni odi lẹẹdi elekiturodu.

Veronika Zinth ati awọn miiran ti Ile-ẹkọ Imọ-ẹrọ ti Munich lo isọdi neutroni ati awọn ọna miiran lati ṣe iwadi ihuwasi itankalẹ litiumu ti awọn batiri lithium-ion ni iwọn otutu kekere ti -20°C. Neutroni diffraction ti jẹ ọna wiwa tuntun ni awọn ọdun aipẹ. Ti a bawe pẹlu XRD, iyatọ neutroni jẹ ifarabalẹ si awọn eroja ina (Li, O, N, bbl), nitorinaa o dara pupọ fun idanwo ti kii ṣe iparun ti awọn batiri lithium-ion.

Ninu idanwo naa, VeronikaZinth lo batiri NMC111/graphite 18650 lati ṣe iwadi ihuwasi itankalẹ litiumu ti awọn batiri lithium-ion ni awọn iwọn otutu kekere. Batiri naa ti gba agbara ati gbigba silẹ lakoko idanwo ni ibamu si ilana ti o han ninu nọmba ni isalẹ.

Nọmba ti o tẹle n ṣe afihan iyipada alakoso ti elekiturodu odi labẹ oriṣiriṣi SoCs lakoko akoko gbigba agbara keji ni gbigba agbara oṣuwọn C/30. O le dabi pe ni 30.9% SoC, awọn ipele ti elekiturodu odi jẹ akọkọ LiC12, Li1-XC18, ati iye kekere ti LiC6 Composition; lẹhin ti SoC ti kọja 46%, iyatọ iyatọ ti LiC12 tẹsiwaju lati dinku, lakoko ti agbara LiC6 tẹsiwaju lati pọ si. Bibẹẹkọ, paapaa lẹhin idiyele ipari ti pari, nitori 1503mAh nikan ni idiyele ni iwọn otutu kekere (agbara jẹ 1950mAh ni iwọn otutu yara), LiC12 wa ninu elekiturodu odi. Ṣebi gbigba agbara lọwọlọwọ dinku si C/100. Ni ọran naa, batiri naa tun le gba agbara ti 1950mAh ni awọn iwọn otutu kekere, eyiti o tọka si idinku ninu agbara ti awọn batiri lithium-ion ni awọn iwọn otutu kekere jẹ pataki nitori ibajẹ awọn ipo kainetik.

Nọmba ti o wa ni isalẹ fihan iyipada ipele ti lẹẹdi ninu elekiturodu odi lakoko gbigba agbara ni ibamu si iwọn C/5 ni iwọn otutu kekere ti -20°C. O le rii pe iyipada alakoso ti lẹẹdi jẹ iyatọ pataki ni akawe si gbigba agbara oṣuwọn C/30. O le rii lati inu eeya pe nigbati SoC> 40%, agbara alakoso ti batiri LiC12 labẹ idiyele idiyele C / 5 dinku ni iyara pupọ, ati pe ilosoke ti agbara alakoso LiC6 tun jẹ alailagbara pupọ ju ti C/30 lọ. idiyele idiyele. O fihan pe ni iwọn giga ti C/5, kere si LiC12 tẹsiwaju lati intercalate lithium ati pe o yipada si LiC6.

Nọmba ti o wa ni isalẹ ṣe afiwe awọn iyipada alakoso ti elekiturodu lẹẹdi odi nigba gbigba agbara ni awọn oṣuwọn C/30 ati C/5, lẹsẹsẹ. Nọmba naa fihan pe fun awọn oṣuwọn gbigba agbara meji ti o yatọ, apakan lithium- talaka Li1-XC18 jẹ iru kanna. Iyatọ naa jẹ afihan ni akọkọ ni awọn ipele meji ti LiC12 ati LiC6. O le rii lati inu eeya naa pe aṣa iyipada alakoso ni elekiturodu odi jẹ isunmọ isunmọ ni ipele ibẹrẹ ti gbigba agbara labẹ awọn idiyele idiyele meji. Fun ipele LiC12, nigbati agbara gbigba agbara ba de 950mAh (49% SoC), aṣa iyipada bẹrẹ lati han yatọ. Nigbati o ba de 1100mAh (56.4% SoC), ipele LiC12 labẹ awọn titobi meji bẹrẹ lati ṣafihan aafo pataki kan. Nigbati o ba n ṣaja ni iwọn kekere ti C / 30, idinku ti ipele LiC12 jẹ iyara pupọ, ṣugbọn idinku ti ipele LiC12 ni iwọn C / 5 ni o lọra pupọ; iyẹn ni lati sọ, awọn ipo kainetik ti ifibọ litiumu ninu elekiturodu odi bajẹ ni awọn iwọn otutu kekere. , Ki LiC12 siwaju intercalates litiumu lati se ina LiC6 alakoso iyara din ku. Ni ibamu, ipele LiC6 pọ si ni iyara pupọ ni iwọn kekere ti C/30 ṣugbọn o lọra pupọ ni iwọn C/5 kan. Eyi fihan pe ni iwọn C / 5, diẹ sii petite Li ti wa ni ifibọ sinu ilana gara ti graphite, ṣugbọn ohun ti o nifẹ si ni pe agbara idiyele batiri (1520.5mAh) ni idiyele idiyele C / 5 ga ju iyẹn lọ ni C. / 30 idiyele oṣuwọn. Agbara (1503.5mAh) ga julọ. Awọn afikun Li ti ko ba wa ni ifibọ ninu odi lẹẹdi elekiturodu jẹ seese lati wa ni precipitated lori lẹẹdi dada ni awọn fọọmu ti fadaka litiumu. Ilana ti o duro lẹhin ipari gbigba agbara tun ṣe afihan eyi lati ẹgbẹ-diẹ.

Nọmba ti o tẹle n ṣe afihan eto alakoso ti elekiturodu lẹẹdi odi lẹhin gbigba agbara ati lẹhin ti o fi silẹ fun awọn wakati 20. Ni ipari gbigba agbara, ipele ti elekiturodu lẹẹdi odi yatọ pupọ labẹ awọn oṣuwọn gbigba agbara meji. Ni C / 5, ipin ti LiC12 ni anode graphite jẹ ti o ga julọ, ati ipin ogorun LiC6 jẹ kekere, ṣugbọn lẹhin ti o duro fun awọn wakati 20, iyatọ laarin awọn mejeeji ti di iwonba.

Nọmba ti o wa ni isalẹ fihan iyipada alakoso ti elekiturodu lẹẹdi odi lakoko ilana ipamọ 20h. O le rii lati inu eeya naa pe botilẹjẹpe awọn ipele ti awọn amọna meji ti o lodi si tun yatọ pupọ ni ibẹrẹ, bi akoko ipamọ ti n pọ si, awọn oriṣi meji ti gbigba agbara Ipele ti anode graphite labẹ magnification ti yipada ni isunmọ. LiC12 le tẹsiwaju lati yipada si LiC6 lakoko ilana fifipamọ, o nfihan pe Li yoo tẹsiwaju lati wa ni ifibọ sinu graphite lakoko ilana fifipamọ. Apakan Li yii ṣee ṣe lati jẹ litiumu ti fadaka ti o ṣaju oju ti elekiturodu lẹẹdi odi ni iwọn otutu kekere. Onínọmbà siwaju fihan pe ni opin gbigba agbara ni oṣuwọn C/30, iwọn ti intercalation litiumu ti elekiturodu lẹẹdi odi jẹ 68%. Sibẹsibẹ, iwọn intercalation litiumu pọ si 71% lẹhin ibi ipamọ, ilosoke ti 3%. Ni ipari gbigba agbara ni oṣuwọn C/5, iwọn ifibọ litiumu ti elekiturodu graphite odi jẹ 58%, ṣugbọn lẹhin ti o ti fi silẹ fun awọn wakati 20, o pọ si 70%, lapapọ ilosoke ti 12%.

Iwadi ti o wa loke fihan pe nigba gbigba agbara ni awọn iwọn otutu kekere, agbara batiri yoo dinku nitori ibajẹ awọn ipo kainetik. Yoo tun ṣaju irin litiumu lori dada ti elekiturodu odi nitori idinku ti oṣuwọn ifibọ litiumu graphite. Sibẹsibẹ, lẹhin akoko kan ti ipamọ, Yi apa ti fadaka litiumu le ti wa ni ifibọ ni lẹẹdi lẹẹkansi; ni gangan lilo, awọn selifu akoko ni igba kukuru, ati nibẹ ni ko si lopolopo ti gbogbo awọn ti fadaka litiumu le ti wa ni ifibọ sinu lẹẹdi lẹẹkansi, ki o le fa diẹ ninu awọn ti fadaka litiumu tesiwaju lati tẹlẹ ninu awọn odi elekiturodu. Oju batiri lithium-ion yoo ni ipa lori agbara batiri litiumu-ion ati pe o le ṣe awọn dendrites litiumu ti o ṣe ewu aabo ti batiri litiumu-ion. Nitorinaa, gbiyanju lati yago fun gbigba agbara batiri lithium-ion ni awọn iwọn otutu kekere. Ilọ lọwọlọwọ kekere, ati lẹhin eto, rii daju akoko selifu to lati yọkuro litiumu irin ni elekiturodu lẹẹdi odi.

Nkan yii ni pataki tọka si awọn iwe aṣẹ wọnyi. Ijabọ naa nikan ni a lo lati ṣafihan ati atunyẹwo awọn iṣẹ onimọ-jinlẹ ti o ni ibatan, ikẹkọ ile-iwe, ati iwadii imọ-jinlẹ. Kii ṣe fun lilo iṣowo. Ti o ba ni awọn ọran aṣẹ-lori eyikeyi, jọwọ lero ọfẹ lati kan si wa.

1.Rate agbara ti lẹẹdi ohun elo bi odi amọna ni litiumu-ion capacitors,Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2.Lithium plating ni awọn batiri lithium-ion ti a ṣe iwadi nipasẹ isinmi foliteji ati ni ipo neutron diffraction, Iwe irohin ti Awọn orisun agbara 342 (2017) 17-23, Christian von Lüders, Veronika Zinth, Simon V.Erhard, Patrick J.Osswald, Michael Hofman , Ralph Gilles, Andreas Jossen

3.Lithium plating ni awọn batiri litiumu-ion ni awọn iwọn otutu-ibaramu ti a ṣe iwadi nipasẹ ni situ neutron diffraction, Iwe akosile ti Awọn orisun agbara 271 (2014) 152-159, Veronika Zinth, Christian von Lüders, Michael Hofmann, Johannes Hattendorff, Simoni Hattendorff, Irmgard Buchberger. Erhard, Joana Rebelo-Kornmeier, Andreas Jossen, Ralph Gilles