हिवाळा येत आहे, लिथियम-आयन बॅटरीच्या कमी-तापमान विश्लेषणाच्या घटनेकडे पहा

लिथियम-आयन बॅटरीच्या कार्यक्षमतेवर त्यांच्या गतिज वैशिष्ट्यांचा मोठ्या प्रमाणावर परिणाम होतो. ग्रेफाइट मटेरिअलमध्ये एम्बेड केल्यावर Li+ प्रथम विरघळले जाणे आवश्यक असल्याने, त्याला विशिष्ट प्रमाणात ऊर्जा वापरणे आवश्यक आहे आणि ग्रेफाइटमध्ये Li+ च्या प्रसारास अडथळा आणणे आवश्यक आहे. याउलट, जेव्हा ग्रेफाइट सामग्रीमधून Li+ द्रावणात सोडले जाते, तेव्हा विरघळण्याची प्रक्रिया प्रथम होईल आणि विरघळण्याच्या प्रक्रियेला ऊर्जेचा वापर करण्याची आवश्यकता नसते. Li+ ग्रेफाइट पटकन काढून टाकू शकते, ज्यामुळे ग्रेफाइट सामग्रीचा चार्ज कमी प्रमाणात स्वीकारला जातो. डिस्चार्ज स्वीकार्यता मध्ये.

कमी तापमानात, नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडची गतीशील वैशिष्ट्ये सुधारली आहेत आणि खराब झाली आहेत. म्हणून, चार्जिंग प्रक्रियेदरम्यान नकारात्मक इलेक्ट्रोडचे इलेक्ट्रोकेमिकल ध्रुवीकरण लक्षणीयरीत्या तीव्र होते, ज्यामुळे नकारात्मक इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावर सहजपणे मेटॅलिक लिथियमचा वर्षाव होऊ शकतो. म्युनिक, जर्मनीच्या टेक्निकल युनिव्हर्सिटीच्या ख्रिश्चन फॉन ल्युडर्स यांनी केलेल्या संशोधनात असे दिसून आले आहे की -2°C वर, चार्ज दर C/2 पेक्षा जास्त होतो आणि धातूच्या लिथियम पर्जन्याचे प्रमाण लक्षणीय वाढले आहे. उदाहरणार्थ, C/2 दराने, विरोधी इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावर लिथियम प्लेटिंगचे प्रमाण संपूर्ण चार्जच्या आसपास असते. क्षमतेच्या 5.5% परंतु 9C विस्तार अंतर्गत 1% पर्यंत पोहोचेल. प्रक्षेपित धातूचा लिथियम पुढे विकसित होऊ शकतो आणि कालांतराने लिथियम डेंड्राइट्स बनू शकतो, डायाफ्राममधून छेदतो आणि सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड्सचे शॉर्ट सर्किट होऊ शकतो. त्यामुळे, कमी तापमानात लिथियम-आयन बॅटरी चार्ज करणे शक्य तितके टाळणे आवश्यक आहे. जेव्हा बॅटरीला कमी तापमानात चार्ज करणे आवश्यक असते, तेव्हा लिथियम-आयन बॅटरी शक्य तितकी चार्ज करण्यासाठी एक लहान विद्युतप्रवाह निवडणे आवश्यक आहे आणि चार्जिंगनंतर लिथियम-आयन बॅटरी पूर्णपणे साठवून ठेवणे आवश्यक आहे जेणेकरून धातूचा लिथियम नकारात्मक इलेक्ट्रोडमधून प्रक्षेपित होईल. ग्रेफाइटसह प्रतिक्रिया देऊ शकते आणि नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडमध्ये पुन्हा एम्बेड करू शकते.

वेरोनिका झिंथ आणि म्युनिक टेक्निकल युनिव्हर्सिटीच्या इतरांनी -20 डिग्री सेल्सिअस कमी तापमानात लिथियम-आयन बॅटरीच्या लिथियम उत्क्रांती वर्तनाचा अभ्यास करण्यासाठी न्यूट्रॉन विवर्तन आणि इतर पद्धती वापरल्या. अलिकडच्या वर्षांत न्यूट्रॉन विवर्तन ही एक नवीन शोध पद्धत आहे. XRD च्या तुलनेत, न्यूट्रॉन डिफ्रॅक्शन हे प्रकाश घटकांसाठी (Li, O, N, इ.) अधिक संवेदनशील आहे, म्हणून ते लिथियम-आयन बॅटरीच्या विनाशकारी चाचणीसाठी अतिशय योग्य आहे.

प्रयोगात, VeronikaZinth ने कमी तापमानात लिथियम-आयन बॅटरीच्या लिथियम उत्क्रांती वर्तनाचा अभ्यास करण्यासाठी NMC111/ग्रेफाइट 18650 बॅटरी वापरली. खालील आकृतीमध्ये दर्शविलेल्या प्रक्रियेनुसार चाचणी दरम्यान बॅटरी चार्ज आणि डिस्चार्ज केली जाते.

खालील आकृती C/30 दर चार्जिंगवर दुसऱ्या चार्जिंग सायकल दरम्यान वेगवेगळ्या SoC अंतर्गत नकारात्मक इलेक्ट्रोडचा फेज बदल दर्शविते. असे दिसते की 30.9% SoC वर, नकारात्मक इलेक्ट्रोडचे टप्पे प्रामुख्याने LiC12, Li1-XC18, आणि LiC6 रचना थोड्या प्रमाणात आहेत; SoC 46% पेक्षा जास्त झाल्यानंतर, LiC12 ची विवर्तन तीव्रता कमी होत राहते, तर LiC6 ची शक्ती वाढतच राहते. तथापि, अंतिम चार्ज पूर्ण झाल्यानंतरही, कमी तापमानात केवळ 1503mAh चार्ज होत असल्याने (खोलीच्या तापमानावर क्षमता 1950mAh आहे), LiC12 नकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये अस्तित्वात आहे. समजा चार्जिंग करंट C/100 पर्यंत कमी झाला आहे. अशा स्थितीत, कमी तापमानात बॅटरी अजूनही 1950mAh ची क्षमता प्राप्त करू शकते, जे सूचित करते की कमी तापमानात लिथियम-आयन बॅटरीची शक्ती कमी होणे हे मुख्यतः गतिज स्थिती बिघडल्यामुळे आहे.

खाली दिलेली आकृती -5°C च्या कमी तापमानात C/20 दरानुसार चार्जिंग दरम्यान नकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये ग्रेफाइटचा फेज बदल दर्शवते. C/30 दर चार्जिंगच्या तुलनेत ग्रेफाइटचा फेज बदल लक्षणीयरीत्या भिन्न आहे हे ते पाहू शकते. आकृतीवरून असे दिसून येते की जेव्हा SoC>40%, C/12 चार्ज रेट अंतर्गत LiC5 बॅटरीची फेज ताकद लक्षणीयरीत्या कमी होते आणि LiC6 फेज ताकद वाढणे देखील C/30 पेक्षा खूपच कमकुवत असते. शुल्क दर. हे दर्शविते की C/5 च्या तुलनेने उच्च दराने, कमी LiC12 लिथियम इंटरकॅलेट करत राहते आणि LiC6 मध्ये रूपांतरित होते.

खाली दिलेली आकृती अनुक्रमे C/30 आणि C/5 दरांवर चार्ज करताना नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडच्या फेज बदलांची तुलना करते. आकृती दर्शवते की दोन भिन्न चार्जिंग दरांसाठी, लिथियम-गरीब फेज Li1-XC18 खूप समान आहे. फरक प्रामुख्याने LiC12 आणि LiC6 च्या दोन टप्प्यांमध्ये दिसून येतो. आकृतीवरून हे पाहिले जाऊ शकते की नकारात्मक इलेक्ट्रोडमधील फेज बदलाचा कल दोन चार्ज दरांच्या अंतर्गत चार्जिंगच्या सुरुवातीच्या टप्प्यावर तुलनेने जवळ आहे. LiC12 टप्प्यासाठी, जेव्हा चार्जिंग क्षमता 950mAh (49% SoC) पर्यंत पोहोचते, तेव्हा बदलणारा ट्रेंड वेगळा दिसू लागतो. जेव्हा ते 1100mAh (56.4% SoC) येते, तेव्हा दोन मॅग्निफिकेशन अंतर्गत LiC12 टप्पा लक्षणीय अंतर दर्शवू लागतो. C/30 च्या कमी दराने चार्ज होत असताना, LiC12 स्टेजची घसरण खूप जलद होते, परंतु C/12 दराने LiC5 फेजची घसरण खूपच हळू असते; म्हणजेच, नकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये लिथियम घालण्याची गतीशील स्थिती कमी तापमानात खराब होते. , जेणेकरुन LiC12 पुढे लिथियम तयार करण्यासाठी LiC6 फेजची गती कमी झाली. त्या अनुषंगाने, LiC6 टप्पा C/30 च्या कमी दराने खूप लवकर वाढतो परंतु C/5 च्या दराने खूपच कमी होतो. हे दर्शविते की C/5 दराने, ग्रेफाइटच्या क्रिस्टल स्ट्रक्चरमध्ये अधिक पेटीट ली एम्बेड केलेले आहे, परंतु मनोरंजक गोष्ट म्हणजे बॅटरीची चार्ज क्षमता (1520.5mAh) C/5 चार्ज दराने C पेक्षा जास्त आहे. /30 शुल्क दर. पॉवर (1503.5mAh) जास्त आहे. ऋण ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडमध्ये एम्बेड केलेली अतिरिक्त Li ग्रेफाइट पृष्ठभागावर धातूच्या लिथियमच्या रूपात अवक्षेपित होण्याची शक्यता आहे. चार्जिंगच्या समाप्तीनंतर उभी राहण्याची प्रक्रिया देखील बाजूने सिद्ध करते—थोडेसे.

खालील आकृती चार्ज केल्यानंतर आणि 20 तास शिल्लक राहिल्यानंतर नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडची फेज संरचना दर्शवते. चार्जिंगच्या शेवटी, नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडचा टप्पा दोन चार्जिंग दरांच्या अंतर्गत खूप भिन्न असतो. C/5 वर, ग्रेफाइट एनोडमध्ये LiC12 चे प्रमाण जास्त आहे आणि LiC6 ची टक्केवारी कमी आहे, परंतु 20 तास उभे राहिल्यानंतर, दोघांमधील फरक कमी झाला आहे.

खालील आकृती 20h स्टोरेज प्रक्रियेदरम्यान नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडचा फेज बदल दर्शविते. आकृतीवरून हे लक्षात येते की जरी दोन विरोधी इलेक्ट्रोड्सचे टप्पे सुरुवातीस खूप भिन्न असले तरीही, स्टोरेज वेळ वाढल्याने, चार्जिंगचे दोन प्रकार मॅग्निफिकेशन अंतर्गत ग्रेफाइट एनोडची अवस्था अगदी जवळून बदलली आहे. शेल्व्हिंग प्रक्रियेदरम्यान LiC12 चे LiC6 मध्ये रूपांतर करणे सुरू ठेवू शकते, हे सूचित करते की शेल्व्हिंग प्रक्रियेदरम्यान Li ग्रेफाइटमध्ये एम्बेड करणे सुरू राहील. लीचा हा भाग कमी तापमानात ऋणात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावर लिथियम अवक्षेपित धातूचा असण्याची शक्यता आहे. पुढील विश्लेषणात असे दिसून आले की C/30 दराने चार्जिंगच्या शेवटी, नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडच्या लिथियम इंटरकॅलेशनची डिग्री 68% होती. तरीही, लिथियम इंटरकॅलेशनची डिग्री शेल्व्हिंगनंतर 71% पर्यंत वाढली, 3% ची वाढ. C/5 दराने चार्जिंगच्या शेवटी, नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडची लिथियम इन्सर्टेशन डिग्री 58% होती, परंतु 20 तास शिल्लक राहिल्यानंतर, ती 70% पर्यंत वाढली, एकूण 12% वाढ झाली.

वरील संशोधनात असे दिसून आले आहे की कमी तापमानात चार्जिंग करताना, गतिज स्थिती बिघडल्यामुळे बॅटरीची क्षमता कमी होते. ग्रेफाइट लिथियम इन्सर्टेशन रेट कमी झाल्यामुळे ते नकारात्मक इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावर लिथियम धातू देखील अवक्षेपित करेल. तथापि, साठवण कालावधीनंतर, धातूचा लिथियमचा हा भाग पुन्हा ग्रेफाइटमध्ये एम्बेड केला जाऊ शकतो; वास्तविक वापरामध्ये, शेल्फ वेळ अनेकदा कमी असतो, आणि सर्व धातू लिथियम पुन्हा ग्रेफाइटमध्ये एम्बेड केले जाऊ शकतात याची कोणतीही हमी नाही, त्यामुळे काही धातूचे लिथियम नकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये अस्तित्वात राहण्यास कारणीभूत ठरू शकते. लिथियम-आयन बॅटरीच्या पृष्ठभागाचा लिथियम-आयन बॅटरीच्या क्षमतेवर परिणाम होईल आणि लिथियम-आयन बॅटरीची सुरक्षितता धोक्यात आणणारे लिथियम डेंड्राइट्स तयार करू शकतात. म्हणून, कमी तापमानात लिथियम-आयन बॅटरी चार्ज करणे टाळण्याचा प्रयत्न करा. कमी प्रवाह, आणि सेट केल्यानंतर, नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडमधील मेटल लिथियम काढून टाकण्यासाठी पुरेसा शेल्फ वेळ सुनिश्चित करा.

हा लेख प्रामुख्याने खालील कागदपत्रांचा संदर्भ देतो. अहवालाचा वापर केवळ संबंधित वैज्ञानिक कार्ये, वर्गातील शिक्षण आणि वैज्ञानिक संशोधनाचा परिचय आणि पुनरावलोकन करण्यासाठी केला जातो. व्यावसायिक वापरासाठी नाही. आपल्याकडे कॉपीराइट समस्या असल्यास, कृपया आमच्याशी मोकळ्या मनाने संपर्क साधा.

1. लिथियम-आयन कॅपेसिटरमध्ये नकारात्मक इलेक्ट्रोड म्हणून ग्रेफाइट सामग्रीची क्षमता रेट करा, इलेक्ट्रोचिमिका एक्टा 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2.लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये लिथियम प्लेटिंग व्होल्टेज शिथिलता आणि सिटू न्यूट्रॉन डिफ्रॅक्शनद्वारे तपासले गेले, जर्नल ऑफ पॉवर सोर्सेस 342(2017)17-23, ख्रिश्चन फॉन ल्यूडर्स, वेरोनिका झिंथ, सायमन व्ही. एर्हार्ड, पॅट्रिक जे. ओसवाल्ड, मायकेल हॉफमन , राल्फ गिल्स, अँड्रियास जोसेन

3. लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये लिथियम प्लेटिंग उप-परिवेश तापमानात न्यूट्रॉन डिफ्रॅक्शन, जर्नल ऑफ पॉवर सोर्सेस 271 (2014) 152-159, वेरोनिका झिंथ, ख्रिश्चन वॉन ल्युडर्स, मायकेल हॉफमन, जोहान्स हॅटेनडॉर्फ, इर्मगरडॉर्फ, इर्मगरडॉर्फ एर्हार्ड, जोआना रेबेलो-कोर्नमेयर, अँड्रियास जोसेन, राल्फ गिल्स