Hochleistungs-Lithium-Ionen-Akku für schnelles Laden

Ich habe einen Traum: "Eines Tages kann ich einen Lithium-Ionen-Akku entwerfen, der sowohl schnelle Ladung als auch hohe spezifische Energie und lange Lebensdauer aufweist!" Diese Merkmale sind gleichzeitig schwer zu erreichen. Unsere Entwickler von Lithium-Ionen-Batterien sind sich bewusst, dass ein schnelles Laden die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien erheblich beeinträchtigen kann, häufig weil Li + schnell in das negative Graphitgitter eingebettet wird, was zu starken mechanischen Spannungen im Graphitmaterial führen kann, was zu einer Graphitanode führt Das Problem der Delaminierung und des Partikelbruchs des Materials kann zusätzlich zu einer zu schnellen Ladegeschwindigkeit oder einer zu niedrigen Batterietemperatur während des Ladevorgangs dazu führen, dass Metall-Li auf der Oberfläche der negativen Elektrode ausfällt, was zu einem Verlust der reversiblen Kapazität des Lithiums führt. Ionenbatterie und Verfall der Lebensdauer. Die Leistungszelle ist höher als die Energie, daher ist die Reduzierung der Ladezeit der Leistungszelle eine schwierigere Aufgabe. Um dieses Problem zu lösen, analysierte Franz B. Spingler von der Technischen Universität München den Zusammenhang zwischen negativem und irreversiblem Lithium, irreversibler Zellvolumenexpansion und Batteriekapazitätsverlust und entwarf ein Schnellladesystem für hohe Kapazität Batterien basierend auf diesem System. Dieses System kann die Ladezeit um 11% und den Kapazitätsabfall um 16% (200 Zyklen) im Vergleich zum Laden mit 1C-Doppelkonstantstrom und konstantem Druck reduzieren.

In dem Experiment wurde die NCM / Graphit-Batterie mit flexiblem Pack mit einer Kapazität von 3,3 Ah verwendet. Die grundlegenden Eigenschaften der Batterie sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die Batterie befindet sich in einem Thermostat. Während des Lade- und Entladevorgangs misst der Laserverdicker kontinuierlich seine Dicke entlang der Länge der Batterie und verwendet einen Infrarot-Temperatursensor, um die Temperaturänderungen auf der Oberfläche der Lithium-Ionen-Batterie zu verfolgen (siehe Abbildung unten).

Franz B. Spingler analysierte zunächst den Einfluss der Temperatur auf die Expansionseigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien. Wenn die Batterietemperatur von 0 ° C auf 45 ° C zurückkehrt, beträgt die durchschnittliche Expansionsrate der gesamten Batterie 1,2 um / ° C. Aus Abbildung B unten ist auch ersichtlich, dass die Ausdehnung der gesamten Batterie nicht gleichmäßig ist, der Rand der Batterie größer ist und die lokale Expansionsgeschwindigkeit der Batterie im Bereich von 0,6 um / ° C bis 3,4 um / liegt. ° C. Der Ausdehnungskoeffizient entspricht 1,2 × 10 –4 / ° C bis 7,0 × 10 –4 / ° C mit einem Durchschnitt von 2,5 × 10 –4 / ° C. Der Hauptgrund für die Messung der Temperatur der Lithium-Ionen-Batterieexpansion ist, dass die Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie während des Ladevorgangs ansteigt. Dies führt auch zur Ausdehnung der Lithium-Ionen-Batterie und zur Notwendigkeit, die Temperaturausdehnung von der Gesamtausdehnung der Lithium-Ionen-Batterie zu trennen.

Die folgende Abbildung zeigt die Volumenexpansion während des Ladens von CC-CV unter Verwendung von 0,5 ° C, 1,0 ° C, 1,5 ° C bzw. 2 ° C, wobei die Liniensegmentkurve die direkt gemessene Batterieexpansionskurve ist. Die durchgezogene Linie ist die Expansionskurve der Batterie nach Abzug des durch die Temperatur verursachten Expansionsfaktors. Wir können feststellen, dass, wenn die Batterie mit einem großen Strom (1,5 ° C und 2,0 ° C) geladen wird, die Batterieexpansion in den frühen Stadien der Batterieladung von der Konstantstromladung bis zur Konstantdruckladung eine Expansionsspitze (Überschwingen) zeigt. und fällt dann herunter und verschwindet, bevor das Laden mit konstantem Druck endet. Zunächst betrachten wir die 2,0-C-Ladung, die einen volumenexpandierenden Peak von etwa 40 um aufweist und 25% der gesamten Volumenexpansion von 0-100% SoC-Batterien ausmacht. Die Größe dieser volumetrischen Expansionsspitze hängt eng mit dem Ladeverhältnis der Batterie zusammen, das bei 1,5 ° C 25 um beträgt, während 0,5 ° C und 1 ° C keine solche Spitzenexpansion aufweisen. Franz B. Spingler glaubt, dass der Hauptgrund für diese Spitzenausdehnung darin liegen könnte, dass das Metall Li während des schnellen Ladens auf der negativen Oberfläche ausfiel und am Ende des Ladevorgangs mit konstantem Druck wieder in die negative Graphitelektrode eingebettet wurde.

Wenn die Spitze der Batterieexpansion auf negatives Oberflächenlithium zurückzuführen ist, wird während des erneuten Einbettens des Metalls Li in die negative Elektrode eine Plattform auf der Spannungskurve erzeugt, sodass Franz B. Spingler überprüft, ob die obige Annahme richtig ist . Wenn der Akku zu 90% (der Spitze der maximalen Volumenausdehnung) mit unterschiedlichen Vergrößerungsraten geladen wird, wird die Batteriespannung unterbrochen und die Änderungen der Batteriespannung werden aufgezeichnet (siehe Abbildung unten). Wie aus der statischen Spannungskurve ersichtlich ist, nimmt die Spannung von Batterien, die bei 0,5 ° C und 1,0 ° C aufgeladen werden, nach Unterbrechung des Ladevorgangs schnell ab, während Batterien mit einem Ladeverhältnis über 1,5 ° C während des Spannungsabfalls nach dem Laden eine signifikante Spannungsplattform aufweisen ist unterbrochen. Insbesondere die Batteriespannungsplattform, die bei 2,0 ° C und 2,5 ° C geladen wird, ist sehr offensichtlich. Dies zeigt, dass mit der Erhöhung des Ladeverhältnisses das Phänomen des negativen Oberflächenmetalls Li offensichtlicher geworden ist. Es zeigt sich auch, dass der Peak der Volumenexpansion, der in Lithium-Ionen-Batterien während des Ladens mit großem Strom auftritt, in enger Beziehung zum Lithium-Negativ-Oberflächenanalysator steht.

Die von einem Lithium-Ionen-Akku während des Ladevorgangs erzeugte Volumenexpansion ist nicht vollständig reversibel. Die folgende Abbildung zeigt den Kapazitätsverlust, die durchschnittliche irreversible Volumenexpansion und die maximale irreversible Volumenexpansion der Batterie für jeden Zyklus bei unterschiedlichen Ladeverhältnissen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die irreversible Volumenexpansion der Batterie eine starke Korrelation mit dem Verlust der Batteriekapazität aufweist. Die Berechnung zeigt, dass die Korrelation zwischen der durchschnittlichen irreversiblen Volumenausdehnung und dem Batteriekapazitätsverlust 0,945 beträgt und die maximale irreversible Volumenausdehnung eine Korrelation mit dem Batteriekapazitätsverlust aufweist. Bis zu 0,996.

Die Studie von Franz B. Spingler ergab, dass die irreversible Volumenausdehnung der Batterie am Rand der Batterie häufig schwerwiegender ist. Um dieses Phänomen zu erklären, führt Franz B. Spingler eine Autopsie des aufgeladenen Akkus mit einer Vergrößerung von 0,5-2,0 ° C durch. Die folgende Abbildung zeigt die Anatomie. Zwei negative Pole: Aus der folgenden Abbildung können wir ersehen, dass die Position der Batteriekante häufig irreversibler und die Volumenexpansion schwerwiegender ist. An der zerlegten negativen Oberfläche der Batterie stellen wir fest, dass an diesen Positionen ein signifikantes Metall Li ausgefällt ist. Dies zeigt, dass die irreversible Volumenexpansion und der Kapazitätsverlust der Batterie eng mit der Ausfällung des Metalls Li auf der negativen Oberfläche zusammenhängen.

Aus der obigen Analyse ist nicht schwer zu erkennen, dass der irreversible Metall-Li-Niederschlag auf der negativen Oberfläche, die irreversible Volumenausdehnung der Batterie und der Kapazitätsverlust der Batterie eng miteinander verbunden sind. Daher sollten wir die Ausfällung von negativem und irreversiblem Metall Li vermeiden, wenn wir das Schnellladesystem für Lithium-Ionen-Batterien entwickeln. Um ein Ladesystem zu entwickeln, das schnell aufgeladen werden kann und eine schnelle Verkürzung der Batterielebensdauer verhindert, lädt Franz B. Spingler die Batterie mit einem Multiplikator von 0,5-3,0 ° C und anschließendem Konstantstrom von 0,5 ° C auf 10-100% SoC auf. Bei konstanter Druckentladung auf 0% SoC wird dann die maximale irreversible Volumenausdehnung der Batterie aufgezeichnet, um das Design des Schnellladesystems zu steuern. Die Testergebnisse sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Aus der Abbildung ist ein Trend ersichtlich, dass je höher das Ladeverhältnis, desto höher das Ende des SoC, desto größer die maximale irreversible Volumenausdehnung des Akkus ist, was bedeutet, dass die Kapazität des Akkus verloren geht. Je größer.

Um die maximale irreversible Volumenexpansion zu minimieren, verwendet Franz B. Spingler eine segmentierte Ladung, bei der 2,4 C-Ladungen im 0-10% SoC-Bereich verwendet und dann nacheinander (wie in Abbildung C unten gezeigt) durch reduziert werden Dieses optimierte Ladesystem. Die Ladezeit von Lithium-Ionen-Batterien kann um bis zu 21% reduziert werden (im Vergleich zum CC-CV-System mit 1C-Vergrößerung), wodurch die Ladezeit effektiv verkürzt wird.

Das optimierte Ladesystem verbessert effektiv die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien, indem es die irreversible Volumenexpansion reduziert. Die folgende Abbildung zeigt die Batteriezykluskurve unter Verwendung des optimierten Ladesystems, des CC-CV-Ladesystems mit 1 C-Verhältnis und des CC-CV-Ladesystems mit 1,4 C-Verhältnis. Es ist ersichtlich, dass der Batteriezyklus im Vergleich zur normalen CC-CV-Kurve Leistung nach deutlicher Verbesserung des optimierten Ladesystems (200 Wochen Zyklus, 16% Kapazitätsverlust). Aufgrund der anatomischen Ergebnisse der Batterie wurde nach der Optimierung des Ladesystems auch das negative, extrem irreversible Lithium der Batterie erheblich reduziert.

Franz B. Spingler enthüllte den Zusammenhang zwischen der negativ polaren irreversiblen Lithiumanalyse, die durch das Laden von Lithium-Ionen-Batterien mit unterschiedlichen Vergrößerungsraten verursacht wird, und der irreversiblen Volumenausdehnung der Batterie und dem Verlust der Batteriekapazität. Der Grund für das schnelle Laden des Kapazitätsabfalls und der Beschleunigung von Lithium-Ionen-Batterien. Aufgrund der irreversiblen volumetrischen Ausdehnung der Batterien aufgrund unterschiedlicher Ladeverhältnisse wurde ein optimiertes Ladesystem entwickelt, das die Ladezeit um 21% und den Kapazitätsverlust reduzierte um 16% (200 Zyklen) im Vergleich zum 1C-Verdopplungs-CC-CV-Ladesystem.

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