Литий-ионный аккумулятор с высокими характеристиками для быстрой зарядки

У меня есть мечта: «Однажды я смогу разработать литий-ионный аккумулятор, который будет обладать как быстрой зарядкой, так и высокой удельной энергией, а также долговечностью!» Этих функций сложно достичь одновременно. Наши разработчики литий-ионных аккумуляторов осознают, что быстрая зарядка может серьезно повлиять на срок службы литий-ионных аккумуляторов, часто из-за того, что Li + быстро встраивается в отрицательную графитовую сетку, что может вызвать сильное механическое напряжение в графитовом материале, что приводит к образованию графитового анода. Проблема расслоения и разрушения материала частиц, помимо слишком высокой скорости зарядки или низкой температуры аккумулятора во время зарядки, может вызвать осаждение металлического Li на поверхности отрицательного электрода, что приведет к потере обратимой емкости литиевого электрода. ионная батарея и снижение срока службы. Мощность элемента питания превышает энергию, поэтому сокращение времени зарядки элемента питания является более сложной задачей. Чтобы решить эту проблему, Франц Б. Спинглер из Технологического университета в Мюнхене, Германия, проанализировал взаимосвязь между отрицательным и необратимым литием, необратимым увеличением объема элемента и потерей емкости аккумулятора и разработал систему быстрой зарядки для аккумуляторов большой емкости. аккумуляторы на основе этого., Эта система может сократить время зарядки на 11% и снижение емкости на 16% (200 циклов) по сравнению с двойной зарядкой постоянным током-постоянным давлением 1С.

В эксперименте использовалась гибкая батарея NCM / графит с емкостью 3,3 Ач. Основные характеристики аккумулятора приведены в таблице ниже. Батарея помещена в термостат. В процессе зарядки и разрядки лазерный загуститель будет непрерывно измерять его толщину по длине аккумулятора и использовать инфракрасный датчик температуры для отслеживания изменений температуры на поверхности литий-ионного аккумулятора (как показано на рисунке ниже).

Франц Б. Спинглер впервые проанализировал влияние температуры на характеристики расширения литий-ионных батарей. Когда температура батареи возвращается с 0 ° C до 45 ° C, средняя скорость расширения всей батареи составляет 1,2 мкм / ° C. Из рисунка B ниже мы также можем отметить, что расширение всей батареи неравномерно, край батареи больше, а скорость местного расширения батареи находится в диапазоне от 0,6 мкм / ° C до 3,4 мкм / ° C. Коэффициент расширения эквивалентен от 1,2 · 10-4 / ° C до 7,0 · 10-4 / ° C, в среднем 2,5 · 10-4 / ° C. Основная причина измерения температуры расширения литий-ионного аккумулятора заключается в том, что температура литий-ионного аккумулятора повышается во время процесса зарядки. Это также вызовет расширение литий-ионной батареи и необходимость отделить температурное расширение от общего расширения литий-ионной батареи.

На следующем рисунке показано объемное расширение во время зарядки CC-CV с использованием 0,5 ° C, 1,0 ° C, 1,5 ° C и 2 ° C, соответственно, где линейный сегмент кривой представляет собой прямую измеренную кривую расширения батареи. Сплошная линия - это кривая расширения батареи после вычета коэффициента расширения, вызванного температурой. Мы можем отметить, что когда аккумулятор заряжается большим током (1,5 C и 2,0 C), расширение батареи начинает показывать пик расширения (выброс) на ранних стадиях зарядки батареи от зарядки постоянным током до зарядки постоянным давлением, а затем падает и исчезает до того, как зарядка с постоянным давлением закончится. Во-первых, мы рассмотрим заряд 2,0 C, который имеет пик расширения объема около 40 мкм, что составляет 25% от общего увеличения объема от 0-100% аккумуляторов SoC. Размер этого пика объемного расширения тесно связан с коэффициентом перезарядки аккумулятора, который составляет 25 мкм при 1,5 ° C, в то время как 0,5 ° C и 1C не имеют такого пикового расширения. Франц Б. Спинглер считает, что основная причина этого пикового расширения может заключаться в том, что металлический Li осаждался на отрицательной поверхности во время быстрой зарядки и повторно внедрялся в графитовый отрицательный электрод в конце зарядки при постоянном давлении.

Если пик расширения батареи происходит из-за отрицательной поверхности лития, тогда платформа будет образована на кривой напряжения во время повторного внедрения металлического Li в отрицательный электрод, поэтому Франц Б. Спинглер проверяет правильность сделанного выше предположения. . Когда аккумулятор заряжается на 90% (максимум пикового увеличения объема) при разном увеличении, напряжение аккумулятора прерывается, и изменения напряжения аккумулятора записываются (как показано на рисунке ниже). Как видно из статической кривой напряжения, напряжение аккумуляторов, заряжаемых при 0,5 C и 1,0 C, быстро падает после прерывания заряда, в то время как аккумуляторы с коэффициентом зарядки выше 1,5 C имеют значительную платформу напряжения во время падения напряжения после зарядки. прерывается. В частности, очень очевидна платформа напряжения батареи, которая заряжается при 2,0 ° C и 2,5 ° C. Это показывает, что с увеличением степени зарядки явление отрицательной поверхности металлического Li становится более очевидным. Это также показывает, что пик объемного расширения, который происходит в литий-ионных батареях во время зарядки большим током, имеет тесную связь с литиевым анализатором отрицательной поверхности.

Увеличение объема, создаваемое литий-ионным аккумулятором во время зарядки, не является полностью обратимым. На приведенном ниже рисунке показаны потери емкости, среднее необратимое расширение объема и максимальное необратимое расширение объема батареи для каждого цикла при различных степенях зарядки. Из рисунка мы заметили, что необратимое увеличение объема батареи сильно коррелирует с потерей емкости батареи. Расчет показывает, что корреляция между средним необратимым увеличением объема и потерей емкости батареи составляет 0,945, а максимальное необратимое расширение объема коррелирует с потерей емкости батареи. До 0,996.

Исследование Франца Б. Спинглера показало, что необратимое объемное расширение батареи на краю батареи часто бывает более серьезным. Чтобы объяснить это явление, Франц Б. Спинглер проведет вскрытие перезаряженной батареи при увеличении 0,5–2,0 C. На следующем рисунке показана анатомия. Два отрицательных полюса. Из следующего рисунка видно, что положение края батареи часто более необратимо, а объемное расширение - более серьезное. На разрезанной отрицательной поверхности батареи мы обнаруживаем, что в этих местах осаждено значительное количество металлического Li. Это показывает, что необратимое увеличение объема и потеря емкости батареи тесно связаны с осаждением металлического Li на отрицательной поверхности.

Из приведенного выше анализа нетрудно увидеть, что необратимое осаждение металлического Li на отрицательной поверхности, необратимое увеличение объема батареи и потеря емкости батареи тесно связаны. Следовательно, мы должны избегать осаждения отрицательного и необратимого металлического Li при разработке системы быстрой зарядки литий-ионных аккумуляторов. Чтобы разработать систему зарядки, которая может быстро заряжать и избегать быстрого уменьшения срока службы батареи, Франц Б. Спинглер заряжает батарею до 10-100% SoC, используя множитель 0,5-3,0 C, а затем 0,5 C постоянного тока. разряд при постоянном давлении до 0% SoC, затем записывается максимальное необратимое объемное расширение батареи, чтобы руководствоваться конструкцией системы быстрой зарядки. Результаты тестирования показаны на рисунке ниже. На рисунке мы можем заметить тенденцию к тому, что чем больше коэффициент заряда, тем выше конец SoC, тем больше максимальное необратимое увеличение объема батареи, что означает, что емкость батареи теряется. Чем больше.

Чтобы свести к минимуму максимальное необратимое расширение объема, Franz B. Spingler использует сегментированный заряд, в котором заряды 2,4 C используются в диапазоне SoC 0-10%, а затем уменьшаются один за другим (как показано на рисунке C ниже) через Эта оптимизированная система зарядки. Время зарядки литий-ионных аккумуляторов может быть сокращено до 21% (по сравнению с системой CC-CV с увеличением 1С), что значительно сокращает время зарядки.

Оптимизированная система зарядки эффективно увеличивает срок службы литий-ионных аккумуляторов за счет уменьшения необратимого увеличения объема. На следующем рисунке показана кривая цикла батареи с использованием оптимизированной системы зарядки, CC-CV с коэффициентом 1C и системой зарядки CC-CV с коэффициентом 1,4 C. Можно увидеть, что по сравнению с обычной кривой CC-CV цикл батареи производительность после оптимизированной системы зарядки была значительно улучшена (200 недель цикла, 16% потери емкости). Судя по анатомическим результатам батареи, после оптимизации системы зарядки отрицательный крайне необратимый литий в батарее также был значительно уменьшен.

Франц Б. Спинглер выявил взаимосвязь между отрицательным полярным необратимым анализом лития, вызванным зарядкой литий-ионных батарей при разном увеличении, и необратимым объемным расширением батареи и потерей емкости батареи. Причина быстрой зарядки литий-ионных аккумуляторов, снижение и ускорение емкости. В соответствии с необратимым объемным расширением аккумуляторов, вызванным различными степенями зарядки, была разработана оптимизированная система зарядки, которая сократила время зарядки на 21% и потерю емкости. на 16% (200 циклов) по сравнению с удвоенной системой зарядки CC-CV 1С.

Страница содержит содержимое машинного перевода.