Negua dator, begiratu litio-ioizko baterien tenperatura baxuko analisiaren fenomenoa

Litio-ioizko baterien errendimenduari asko eragiten diote haien ezaugarri zinetikoek. Li+ grafito-materialean txertatzean lehen desolbatatu behar denez, energia kopuru jakin bat kontsumitu behar du eta Li+-aren hedapena oztopatu behar du grafitoan. Aitzitik, grafito-materialetik disoluziora Li+ askatzen denean, disolbazio-prozesua gertatuko da lehenik, eta disolbazio-prozesuak ez du energia-kontsumorik behar. Li+-k grafitoa azkar ken dezake, eta horrek grafito materialaren karga-onarpen nabarmen eskasagoa dakar. Alta onargarritasunean .

Tenperatura baxuetan, grafito-elektrodo negatiboaren ezaugarri zinetikoak hobetu eta okertu egin dira. Hori dela eta, elektrodo negatiboaren polarizazio elektrokimikoa nabarmen areagotzen da karga-prozesuan, eta horrek elektrodo negatiboaren gainazalean litio metalikoaren prezipitazioa erraz ekar dezake. Municheko (Alemania) Unibertsitate Teknikoko Christian von Lüders-ek egindako ikerketek erakutsi dute -2 °C-tan karga-tasa C/2 gainditzen duela eta litio metalikoaren prezipitazio-kopurua nabarmen handitzen dela. Esate baterako, C/2 tasan, kontrako elektrodoaren gainazalean litio xaflatzearen zenbatekoa karga osoa da. Ahalmenaren % 5.5 baina % 9ra iritsiko da 1C handitze-tik behera. Hauspeatutako litio metalikoa gehiago garatu daiteke eta, azkenean, litio dendrita bihur daiteke, diafragma zeharkatuz eta elektrodo positibo eta negatiboen zirkuitulaburra eraginez. Hori dela eta, beharrezkoa da litio-ioizko bateria tenperatura baxuetan kargatzea ahal den neurrian. Bateria tenperatura baxuan kargatu behar duenean, ezinbestekoa da korronte txiki bat hautatzea litio-ioi bateria ahalik eta gehien kargatzeko eta kargatu ondoren litio-ioizko bateria guztiz gordetzeko. grafitoarekin erreakzionatu eta grafito elektrodo negatiboan berriro txertatu.

Veronika Zinth-ek eta Municheko Unibertsitate Teknikoko beste batzuek neutroien difrakzioa eta beste metodo batzuk erabili zituzten litio-ioizko baterien litio-eboluzioaren portaera aztertzeko -20 °C-ko tenperatura baxuan. Neutroien difrakzioa detektatzeko metodo berria izan da azken urteotan. XRDarekin alderatuta, neutroien difrakzioa elementu argiekiko sentikorragoa da (Li, O, N, etab.), beraz, oso egokia da litio-ioizko baterien proba ez-suntsitzaileak egiteko.

Esperimentuan, VeronikaZinth-ek NMC111/grafito 18650 bateria erabili zuen tenperatura baxuetan litio-ioizko baterien litio-eboluzioaren portaera aztertzeko. Bateria proban zehar kargatu eta deskargatzen da beheko irudian ageri den prozesuaren arabera.

Hurrengo irudian elektrodo negatiboaren fase-aldaketa erakusten da SoC desberdinen azpian bigarren karga-zikloan C/30 tasa kargatzean. Badirudi 30.9% SoC-n elektrodo negatiboaren faseak batez ere LiC12, Li1-XC18 eta LiC6 Konposizio kopuru txiki bat direla; SoC-k % 46 gainditu ondoren, LiC12-ren difrakzio-intentsitateak murrizten jarraitzen du, eta LiC6-ren potentzia handitzen jarraitzen du. Hala ere, azken karga amaitu ondoren ere, tenperatura baxuan 1503mAh bakarrik kargatzen denez (1950mAh edukiera giro-tenperaturan), LiC12 elektrodo negatiboan dago. Demagun karga-korrontea C/100ra murrizten dela. Kasu horretan, bateriak 1950mAh-ko edukiera lor dezake oraindik tenperatura baxuetan, eta horrek adierazten du tenperatura baxuetan litio-ioizko baterien potentziaren murrizketa baldintza zinetikoen hondatzearen ondorioz gertatzen dela batez ere.

Beheko irudian elektrodo negatiboan grafitoaren fase-aldaketa erakusten da kargatzean C/5 tasaren arabera -20 °C-ko tenperatura baxuan. Grafitoaren fase-aldaketa nabarmen desberdina dela ikus daiteke C/30 tasa kargatzearen aldean. Irudian ikus daiteke SoC>% 40 denean, LiC12 bateriaren fase-indarra C/5 karga-tasa azpian nabarmen motelago jaisten dela eta LiC6 fase-indarraren hazkundea C/30-arena baino dezente ahulagoa dela. karga-tasa. Erakusten du C/5-ko tasa nahiko altuan, LiC12 gutxiago litioa tartekatzen jarraitzen duela eta LiC6 bihurtzen dela.

Beheko irudiak grafito-elektrodo negatiboaren fase-aldaketak alderatzen ditu C/30 eta C/5 tasetan kargatzean, hurrenez hurren. Irudiak erakusten du bi karga-tasa desberdinetarako, Li1-XC18 litio-pobrearen fasea oso antzekoa dela. Desberdintasuna LiC12 eta LiC6 bi faseetan islatzen da batez ere. Irudian ikus daiteke elektrodo negatiboan fase-aldaketaren joera nahiko hurbil dagoela kargatzearen hasierako fasean bi karga-tasen azpian. LiC12 faserako, kargatzeko gaitasuna 950mAh (% 49 SoC) iristen denean, joera aldakorra desberdina izaten hasten da. 1100mAh (% 56.4 SoC) iristen denean, bi handitzetako LiC12 fasea hutsune nabarmena erakusten hasten da. C/30 abiadura baxuan kargatzean, LiC12 etaparen gainbehera oso azkarra da, baina LiC12 fasearen jaitsiera C/5 tasan askoz motelagoa da; hau da, elektrodo negatiboan litioa sartzearen baldintza zinetikoak hondatzen dira tenperatura baxuetan. , Beraz, LiC12 gehiago intercalates litioa sortzeko LiC6 fase abiadura jaitsi. Era berean, LiC6 fasea oso azkar handitzen da C/30-ko abiaduran, baina askoz motelagoa da C/5-ko abiaduran. Honek erakusten du C/5 tasan, Li txikiago txertatua dagoela grafitoaren kristal-egituran, baina interesgarria dena da bateriaren karga-ahalmena (1520.5 mAh) C/5 karga tasan C-an baino handiagoa dela. /30 karga-tasa. Potentzia (1503.5mAh) handiagoa da. Litekeena da grafitozko elektrodo negatiboan txertaturik ez dagoen Li gehigarria grafitoaren gainazalean hauspeatuko dela litio metaliko moduan. Kargatzea amaitu ondoren zutik dagoen prozesuak hori ere frogatzen du alde batetik, pixka bat.

Hurrengo irudian grafito-elektrodo negatiboaren fase-egitura erakusten da kargatu ondoren eta 20 orduz utzi ondoren. Kargatzearen amaieran, grafito-elektrodo negatiboaren fasea oso desberdina da bi karga-tasen arabera. C/5-n, grafito-anodoan LiC12-ren proportzioa handiagoa da, eta LiC6-ren ehunekoa txikiagoa da, baina 20 orduz egon ondoren, bien arteko aldea minimoa bihurtu da.

Beheko irudiak grafito-elektrodo negatiboaren fase-aldaketa erakusten du 20 orduko biltegiratze-prozesuan zehar. Irudian ikusten da bi elektrodo aurkakoen faseak hasieran oraindik oso desberdinak diren arren, biltegiratze-denbora handitu ahala, bi karga-motak Handipenaren azpian grafito-anodoaren etapa oso hurbil aldatu da. LiC12 apalategi-prozesuan LiC6 bihurtzen jarrai daiteke, eta Li-k grafitoan txertatuta jarraituko duela adierazten du apalategi-prozesuan. Li-ren zati hau litio metalikoa izango da, tenperatura baxuan grafito-elektrodo negatiboaren gainazalean hauspeatu zuen. Azterketa gehiagok erakutsi zuen kargatzearen amaieran C/30 abiaduran, grafito-elektrodo negatiboaren litio-interkalazio-maila %68koa zela. Hala eta guztiz ere, litio-interkalazio-maila % 71ra igo zen apalategiaren ondoren, % 3ko igoera. C/5 abiaduran kargatzearen amaieran, grafito-elektrodo negatiboaren litio txertatze-maila %58koa zen, baina 20 orduz utzi ondoren, %70era igo zen, guztira %12ko igoera.

Goiko ikerketek erakusten dute tenperatura baxuetan kargatzen denean, bateriaren edukiera gutxitu egingo dela baldintza zinetikoen hondatzearen ondorioz. Elektrodo negatiboaren gainazalean litio metala hauspeatuko du, grafito litioaren txertatze-tasa gutxitzen dela eta. Hala ere, biltegiratzeko aldi baten ondoren, litio metalikoaren zati hau grafitoan txertatu daiteke berriro; benetako erabileran, apal-denbora laburra izaten da, eta ez dago bermerik litio metaliko guztia grafitoan berriro txertatu daitekeenik, beraz, litio metaliko batzuk elektrodo negatiboan existitzen jarraitzea eragin dezake. Litio-ioizko bateriaren gainazalak litio-ioizko bateriaren edukierari eragingo dio eta litio-ioizko bateriaren segurtasuna arriskuan jartzen duten litio-dendritak sor ditzake. Hori dela eta, saihestu litio-ioizko bateria tenperatura baxuetan kargatzen. Korronte baxua, eta ezarri ondoren, ziurtatu apala denbora nahikoa grafito elektrodo negatiboan litio metalikoa kentzeko.

Artikulu honek, batez ere, hurrengo dokumentuei egiten die erreferentzia. Txostena erlazionatutako lan zientifikoak, ikasgelako irakaskuntza eta ikerketa zientifikoak aurkezteko eta berrikusteko soilik erabiltzen da. Ez erabilera komertzialerako. Copyright-arazoren bat baduzu, jar zaitez gurekin harremanetan.

1. Baloratu grafitozko materialen elektrodo negatibo gisa litio-ioizko kondentsadoreetan, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2.Litio-ioizko baterietan tentsioaren erlaxazioan eta in situ neutroi-difrakzioaren bidez ikertuta, 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.Litio-ioizko baterietan in situ neutroi-difrakzioarekin ikertutako giroaren azpiko tenperaturan, 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