Kurzanalyse der Niedertemperaturanalyse von Lithium-Ionen-Batterien im Winter

Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien wird stark von den kinetischen Eigenschaften beeinflusst. Da Li + beim Einbetten in Graphitmaterialien zuerst desolvatisiert werden muss, muss es eine bestimmte Energiemenge verbrauchen, die die Diffusion von Li + in den Graphit behindert. Im Gegensatz dazu tritt der Solvatisierungsprozess zuerst auf, wenn Li + aus dem Graphitmaterial genommen wird und in die Lösung eintritt, und der Solvatisierungsprozess muss keine Energie verbrauchen. Li + kann den Graphit schnell entfernen, wodurch das Graphitmaterial eine schlechte Ladungsakzeptanz wie die Entladung aufweist.

Bei niedrigen Temperaturen schreitet die Kinetik der negativen Graphitelektrode schlecht voran. Daher wird die elektrochemische Polarisation der negativen Elektrode während des Ladevorgangs offensichtlich verstärkt, was leicht zur Ausfällung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode führt. ChristianvonLu an der Technischen Universität München Ders et al. zeigten, dass bei -2 ° C die Ladungsrate C / 2 übersteigt, was die Menge an ausgefälltem Metalllithium signifikant erhöht. Beispielsweise beträgt bei einer C / 2-Rate die Menge an Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode etwa 5,5% der gesamten Ladekapazität, bei einer 1C-Rate jedoch 9%. Das ausgefällte metallische Lithium kann sich weiter entwickeln und schließlich zu einem Lithiumdendriten werden, der den Separator durchbricht und einen Kurzschluss zwischen der positiven und der negativen Elektrode verursacht. Daher muss vermieden werden, dass der Lithium-Ionen-Akku bei niedriger Temperatur geladen wird. Wenn der Akku bei einer niedrigen Temperatur geladen werden muss, muss ein kleiner Strom ausgewählt werden, um den Lithium-Ionen-Akku so weit wie möglich zu laden, und der Lithium-Ionen-Akku muss nach dem Laden vollständig suspendiert werden, um sicherzustellen, dass das Lithiummetall aus dem Negativ ausfällt Die Elektrode kann mit dem Graphit reagieren und sich wieder in das Innere der negativen Graphitelektrode einbetten.

Veronika Zinth von der Technischen Universität München und andere untersuchten mithilfe der Neutronenbeugung das Lithiumentwicklungsverhalten von Lithiumionenbatterien bei -20 ° C. Die Neutronenbeugung ist in den letzten Jahren eine neue Nachweismethode. Im Vergleich zu XRD ist die Neutronenbeugung empfindlicher gegenüber leichten Elementen (Li, O, N usw.) und eignet sich daher sehr gut für die zerstörungsfreie Prüfung von Lithium-Ionen-Batterien.

In dem Experiment verwendete VeronikaZinth eine NMC111 / Graphit 18650-Batterie, um das Lithiumentwicklungsverhalten einer Lithiumionenbatterie bei niedriger Temperatur zu untersuchen. Während des Tests wurde der Akku wie in der folgenden Abbildung gezeigt geladen und entladen.

Die folgende Abbildung zeigt die Phasenänderung der negativen Elektrode bei verschiedenen SoCs während des Ladens mit C / 30-Rate im zweiten Ladezyklus. Es ist ersichtlich, dass bei 30,9% SoC die Phase der negativen Elektrode hauptsächlich LiC12, Li1-XC18 und eine kleine Menge LiC6 ist. Nachdem der SoC 46% überschritten hat, nimmt die Beugungsintensität von LiC12 weiter ab, während die Festigkeit von LiC6 weiter zunimmt. Selbst wenn der Ladevorgang endgültig abgeschlossen ist, bleibt LiC12 in der negativen Elektrode bestehen, da nur 1503 mAh (normale Temperaturkapazität 1950 mAh) bei niedriger Temperatur geladen werden. Wenn der Ladestrom auf C / 100 reduziert wird, kann die Batterie bei niedriger Temperatur immer noch eine Kapazität von 1950 mAh erreichen, was darauf hinweist, dass die Kapazitätsreduzierung der Lithiumionenbatterie bei niedriger Temperatur hauptsächlich durch eine Verschlechterung der kinetischen Bedingungen verursacht wird.

Die folgende Abbildung zeigt die Phasenänderung des negativen Graphits beim Laden mit einer C / 5-Rate bei einer niedrigen Temperatur von -20 ° C. Es ist ersichtlich, dass sich die Phasenänderung von Graphit im Vergleich zur C / 30-Ratenladung signifikant unterscheidet. Aus der Figur ist ersichtlich, dass bei SoC> 40% die Intensität der LiC12-Phase des Akkus unter der C / 5-Laderate signifikant langsamer ist und die LiC6-Phasenintensität auch signifikant schwächer ist als die C / 30-Laderate . Es wird gezeigt, dass bei einer relativ hohen Rate von C / 5 weniger LiC12 kontinuierlich in Lithium interkaliert und in LiC6 umgewandelt wird.

Die folgende Abbildung zeigt die Phasenänderung von Graphitanoden beim Laden mit C / 30- bzw. C / 5-Raten. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Li-abgereicherten Phasen Li1-XC18 für zwei verschiedene Laderaten sehr ähnlich sind. Der Unterschied spiegelt sich hauptsächlich in den beiden Phasen von LiC12 und LiC6 wider. Aus der Figur ist ersichtlich, dass der Phasenänderungstrend der Anode in der negativen Elektrode bei den beiden Laderaten relativ nahe ist. Für die LiC12-Phase, als die Ladekapazität 950 mAh (49% SoC) erreichte, begann der Änderungstrend anders zu erscheinen. Bei Erreichen von 1100 mAh (56,4% SoC) zeigte die LiC12-Phase bei den beiden Vergrößerungen einen signifikanten Unterschied. Wenn C / 30 mit einer geringen Geschwindigkeit geladen wird, ist die Abfallgeschwindigkeit der LiC12-Phase sehr schnell, aber die Abfallgeschwindigkeit der LiC12-Phase ist bei einer C / 5-Geschwindigkeit viel langsamer, was bedeutet, dass sich die kinetischen Lithiumbedingungen der negativen Elektrode verschlechtern bei niedriger Temperatur. Die Geschwindigkeit, mit der LiC12 weiter interkaliert wird, um eine LiC6-Phase zu bilden, wird verringert. Entsprechend steigt die LiC6-Phase bei einer kleinen C / 30-Rate sehr schnell an, ist jedoch bei der C / 5-Rate viel langsamer. Dies zeigt, dass bei der C / 5-Rate weniger Li in die Kristallstruktur des Graphits eingebettet ist, aber es ist interessant, dass die Ladekapazität der Batterie bei der C / 5-Laderate (1520,5 mAh) niedriger ist als unter C / 30 Laderate. Die Kapazität (1503,5 mAh) ist höher, und das zusätzliche Li, das nicht in die negative Graphitelektrode eingebettet ist, fällt wahrscheinlich in Form von metallischem Lithium auf der Graphitoberfläche aus. Der statische Vorgang nach dem Laden wird ebenfalls von der Seite bestätigt. ein wenig.

Die folgende Abbildung zeigt die Phasenstruktur der negativen Graphitelektrode nach dem Laden und nach 20-stündigem Belassen. Es ist ersichtlich, dass am Ende des Ladens die Phase der negativen Graphitelektrode unter den beiden Laderaten sehr unterschiedlich ist. Bei einer großen C / 5-Rate ist der Anteil von LiC12 in der negativen Graphitelektrode höher und das Verhältnis von LiC6 niedriger, aber nach 20-stündigem Stehen ist der Unterschied zwischen den beiden sehr gering geworden.

Die folgende Abbildung zeigt die Änderung der Graphitanodenphase während des 20-stündigen Regalvorgangs. Aus der Figur ist ersichtlich, dass, obwohl die Phase der beiden negativen Elektroden zu Beginn mit zunehmender Haltezeit noch sehr unterschiedlich ist, die beiden Arten des Ladens Die Phase der negativen Graphitelektrode bei der Vergrößerung sehr stark geworden ist schließen. Während des Regalprozesses kann LiC12 kontinuierlich in LiC6 umgewandelt werden, was darauf hinweist, dass Li während des Regalprozesses im Inneren des Graphits verbleibt und dieser Teil von Li wahrscheinlich metallisches Lithium ist, das bei niedriger Temperatur auf der Oberfläche der Graphitanode ausgefällt wird Temperatur. Weitere Analysen zeigten, dass der Lithium-Interkalationsgrad der negativen Graphitelektrode am Ende des Ladens bei einer C / 30-Rate 68% betrug, der Lithium-Interkalationsgrad jedoch nach der Haltbarkeit auf 71% anstieg und um 3% zunahm. Am Ende der C / 5-Rate betrug der Lithium-Interkalationsgrad der negativen Graphitelektrode 58%, stieg jedoch nach 20-stündigem Belassen auf 70% an, und das Ganze wurde um 12% verbessert.

Die obigen Studien haben gezeigt, dass sich beim Laden bei niedriger Temperatur die kinetischen Bedingungen verschlechtern, was nicht nur zu einer Verringerung der Batteriekapazität führt, sondern auch zu einer Verringerung der Lithiumeinfügungsrate des Graphits und zur Ausfällung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode. Obwohl dieser Teil des Lithiummetalls nach einer Suspensionsperiode auch wieder in den Graphit eingebettet werden kann, ist die Lagerzeit bei der tatsächlichen Verwendung oft kurz und es kann nicht garantiert werden, dass das gesamte Metalllithium wieder in den Graphit eingebettet werden kann Dies kann dazu führen, dass etwas Metalllithium in der negativen Elektrode verbleibt. Die Oberfläche beeinträchtigt nicht nur die Kapazität des Lithium-Ionen-Akkus, sondern kann auch Lithium-Dendriten verursachen, die die Sicherheit des Lithium-Ionen-Akkus beeinträchtigen. Daher ist es erforderlich, das Laden des Lithium-Ionen-Akkus bei niedriger Temperatur zu vermeiden, und es ist erforderlich, ihn bei niedriger Temperatur und geringem Strom zu verwenden und nach dem Ende des Ladevorgangs eine ausreichende Haltezeit sicherzustellen, um das metallische Lithium zu entfernen der Graphitelegativelektrode.

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