У меня есть мечта: «Однажды я могу спроектировать литиево-ионный аккумулятор с быстрым зарядом, высокой удельной энергией и долговечными характеристиками!», И на современном уровне техники эти функции трудно достичь одновременно. Конструкторы литиево-ионных аккумуляторов хорошо знают, что быстрая зарядка может серьезно повлиять на срок службы литиево-ионных батарей. Это часто является результатом быстрого встраивания Li + в сетку графита отрицательного электрода и вызывает сильное механическое напряжение в графитовом материале, в результате чего образуются графитовые отрицательные электродные материалы. Возникает проблема расслоения и измельчения частиц. Кроме того, чрезмерно быстрая скорость зарядки или слишком низкая температура батареи во время зарядки может привести к осаждению металла Li на поверхности отрицательного электрода, что приведет к потере обратимой емкости литиево-ионного аккумулятора и снижению продолжительности цикла.
Удельная энергия аккумуляторной батареи выше, поэтому сокращение времени зарядки аккумуляторной батареи является более сложной задачей. Чтобы решить эту проблему, Франц Б. Шпинглер и др. Германского технического университета в Мюнхене проанализировали необратимый объем необратимого лития на отрицательном электроде. Взаимосвязь между расширением и потерей емкости аккумулятора основана на конструкции батареи с высокой энергией с быстрой системой зарядки. По сравнению с постоянным напряжением постоянного тока с постоянной частотой 1С эта система может сократить время зарядки на 11% и Снижение емкости на 16% (200 циклов).
Аккумуляторная батарея NCM / графита, используемая в эксперименте, имеет емкость 3,3 Ач. Основные характеристики батареи приведены в следующей таблице. Батарея помещается в камеру с постоянной температурой. Манометр лазера будет следить за длиной батареи во время всего процесса зарядки и разрядки. Направление толщины его непрерывного измерения и использование инфракрасного датчика температуры для отслеживания температуры поверхности литий-ионных батарей меняются (как показано ниже).
Франц Б.Спинглер впервые проанализировал влияние температуры на характеристики расширения литиево-ионных батарей. Когда температура батареи была восстановлена с 0 ° C до 45 ° C, средняя скорость расширения всей батареи составляла 1,2 м / ° C. Из рисунка b ниже мы также можем заметить весь Расширение батареи не является однородным, а расширение края батареи больше. Локальная скорость расширения батареи находится в диапазоне от 0,6 до 3,4 мкм / ° C, а коэффициент расширения составляет 1,2 × 10-4 / ° C до 7,0 × 10-4 / ° C, в среднем 2,5x10-4 / ° C. Основная причина для измерения литий-ионного аккумулятора, вызванного температурой, заключается в том, что литиево-ионная батарея будет повышаться во время зарядки, что также приведет к расширению литий-ионной батареи. Расширение температуры отделяется от общего расширения литиево-ионной батареи.
На следующем рисунке показано объемное расширение во время процесса зарядки с использованием 0,5C, 1.0C, 1.5C и 2C CC-CV соответственно. Кривая линии - это кривая расширения батареи, полученная прямым измерением. Сплошная линия после вычитания температуры и возникновения коэффициента расширения. Мы можем заметить, что на ранней стадии зарядки аккумулятора от зарядки постоянного тока до зарядки постоянного напряжения при высоких токах (1,5 ° C и 2,0 ° C), расширение батареи начинает показывать превышение расширения, а затем Падение и исчезновение перед зарядкой постоянным напряжением Сначала мы рассмотрим зарядку 2.0 C. Это превышение громкости превышает 40%, что составляет 25% от общего объема расширения 0-100% батареи SoC. Величина пика тесно связана с скоростью заряда батареи. При 1,5 ° C высота этого пика составляет 25 мкм, и это пиковое расширение не происходит при скоростях 0,5 C и 1 C. Франц Б. Спинслер полагает, что основной причиной этого пика набухания может быть Во время процесса быстрой зарядки металл Li осаждается на поверхности отрицательного электрода и снова погружается в графитовый отрицательный электрод в конце зарядки постоянного напряжения.
Если пик расширения батареи обусловлен осаждением лития на поверхности отрицательного электрода, тогда платформа будет создана на кривой напряжения во время повторного внедрения металла Li в отрицательный электрод. Поэтому для проверки правильности приведенного выше предположения, Franz B. Spingler использует разные батареи. Когда заряд CC-CV достигает 90% (верхняя часть пика расширения объема), он прерывается, после чего записывается изменение напряжения батареи (как показано на рисунке ниже). Из статической кривой напряжения видно, что заряд составляет 0,5 C и 1,0 C. Аккумулятор быстро падает после того, как заряд прерывается, а батарея со скоростью заряда выше 1,5C имеет явную платформу напряжения во время падения напряжения после прерывания зарядки, особенно аккумулятор, заряжаемый при частоте 2.0C и 2.5C. Напрятная платформа очень очевидна, что свидетельствует о том, что по мере увеличения скорости зарядки явление литиевого осаждения металла на поверхности отрицательного электрода становится более очевидным, а также показывает, что пик объемного расширения литий-ионной батареи во время сильной токовой зарядки тесно связан с осаждением лития на поверхности отрицательного электрода. отношения.
Объемное расширение литиево-ионных батарей во время зарядки не является полностью реверсивным. На следующем рисунке показана потеря мощности каждого цикла батареи при разных скоростях зарядки, среднее необратимое расширение объема и максимальное необратимое расширение объема. Отмечается, что необратимое объемное расширение батареи имеет сильную корреляцию с потерей емкости батареи. Расчет показывает, что корреляция между средним необратимым объемным расширением и потерей емкости батареи составляет 0,945, а корреляция между максимальным необратимым объемным расширением и потерей емкости аккумулятора достигает 0,996.
Исследование Франца Б.Спинглера показало, что необратимое расширение объема батареи на краю батареи имеет тенденцию быть более серьезным. Чтобы объяснить это явление, Франц Б. Спинлер рассекал батарею после зарядки со скоростью 0,5-2,0С. После рассечения двух отрицательных электродов на рис. Ниже показано, что положение края батареи часто более серьезное, чем необратимое расширение объема. На разобранной отрицательной поверхности батареи мы находим, что именно в этих положениях происходит явное осаждение металлического Li. Это показывает, что Необратимое объемное расширение и потеря емкости батареи тесно связаны с осаждением металлического Li на поверхности отрицательного электрода.
Из приведенного выше анализа легко видеть, что необратимый металл Li на поверхности отрицательного электрода выпадает в осадок, а необратимое объемное расширение батареи тесно связано с потерей емкости батареи. Поэтому мы должны избегать необратимости отрицательного электрода при разработке системы быстрой зарядки литий-ионных батарей. Осаждение металла Li. Чтобы спроектировать систему зарядки, которая может быстро заряжать и избежать быстрого спада срока службы батареи, Franz B. Spingler заряжает аккумулятор до 10-100% SoC, используя скорость 0,5-3,0C, а затем 0,5 C постоянную. Поток - постоянный разряд напряжения до 0% SoC, а затем записывает максимальное необратимое расширение громкости батареи и руководство по проектированию системы быстрой зарядки. Результаты испытаний показаны на рисунке ниже, из рисунка мы можем заметить тренд, то есть скорость заряда Чем больше значение SoC, тем выше максимальное необратимое объемное расширение батареи, что означает большую потерю емкости батареи.
Чтобы свести к минимуму максимальное необратимое расширение объема, Франц Б. Шпинглер применяет метод зарядки сегментов, который использует зарядку 2,4C в диапазоне 0-10% SoC, а затем последовательно уменьшает (как показано на рисунке C ниже) с помощью этой оптимизации. После зарядки время зарядки литий-ионной батареи может быть уменьшено на 21% (по сравнению с системой CC-CV с частотой 1С), что значительно снижает время зарядки.
Оптимизированная система зарядки может эффективно улучшить срок службы литиево-ионных аккумуляторов, уменьшив необратимое расширение объема. На следующем рисунке показаны кривые цикла батареи систем CC-CV с частотой CC-CV и 1.4C-Rate CC-CV. Можно видеть, что по сравнению с обычной кривой CC-CV производительность цикла батареи после оптимизации зарядной системы была значительно улучшена (цикл 200 недель, потери мощности уменьшены на 16%), с точки зрения анатомии батареи, оптимизированной зарядки После системы также значительно уменьшается необратимый литий анода батареи.
Франц Б. Шпинглер исследует взаимосвязь между необратимым объемным расширением отрицательного электрода и необратимым объемом расширения батареи и потерей емкости батареи, вызванной зарядкой литиево-ионной батареи при разных увеличениях, и показывает, что быстрый заряд заставляет ускорение заряда ионно-литиевой батареи. , И на основе необратимого расширения объема батареи, вызванного разной скоростью зарядки, была разработана оптимизированная система зарядки. По сравнению с системой зарядки CC-CV с частотой 1С время зарядки было снижено на 21%, а потери мощности были уменьшены на 16% (200 циклов).
