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Lithium-Ionen-Batterie Temperaturtest

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Lithium-Ionen-Batterie Temperaturtest

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Lithiumbatterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, sind in verschiedenen Bereichen weit verbreitet. Obwohl sich Lithium-Ionen-Batterien schnell entwickelt haben und weit verbreitet sind, haben Sicherheitsprobleme sehr ernste Folgen. Frühe Lithiumbatterien verwendeten metallisches Lithium in der negativen Elektrode, das während des Ladevorgangs zur Bildung von Lithiumdendriten und sogar zur Korrosion neigte. Dies verkürzte die Zykluszeit und die Lebensdauer der Batterie erheblich und konnte in schweren Fällen sogar zu Kurzschlüssen oder Explosionen führen.

Die Online-Suche nach Lithiumbatterie-Patentliteratur und die Analyse der relevanten technischen Indikatoren von Lithiumbatterien aus messtechnischer Sicht zeigen, dass das Anwendungsvolumen im Bereich der Lithiumbatterien in den letzten Jahren einen rasanten Wachstumstrend gezeigt hat.

In diesem Artikel werden die grundlegenden charakteristischen Parameter von Lithium-Ionen-Batterien durch grundlegende experimentelle Tests ermittelt und ein elektrochemisches Modell von Lithium-Ionen-Batterien mit Hilfe der numerischen Simulationssoftware Comsol erstellt, wobei die Genauigkeit des Modells überprüft wird. Auf dieser Grundlage und in Verbindung mit einigen elektrochemischen Gleichungen wurden die Spannungsänderungen von Lithiumbatterien in verschiedenen Umgebungen durch Simulationen analysiert.

Das Hauptforschungsziel und der Inhalt dieses Artikels ist die Analyse des Einflusses der Temperatur und des Radius der negativen Elektrodenpartikel auf die Lade- und Entladeleistung von Lithiumbatterien. Mit Hilfe der Modellierungssoftware Comsol wurde der Einfluss der Temperatur und des Radius der negativen Elektrodenpartikel auf die Lade- und Entladeleistung von Lithiumbatterien mit Hilfe der Kontrollvariablenmethode untersucht, während andere Variablen konstant gehalten wurden.

1 Funktionsprinzip von Lithiumbatterien

Beim Aufladen der Batterie werden an der positiven Elektrode Lithium-Ionen erzeugt, die durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode wandern. Die von Kohlenstoff gebildete Struktur der negativen Elektrode hat viele Poren, und die Lithiumionen, die die negative Elektrode erreichen, werden in die Mikroporen der Kohlenstoffschicht eingebettet. Die Ladekapazität ist positiv mit der Anzahl der eingebetteten Lithiumionen korreliert.

Wenn die Batterie entladen wird, verlassen die in der Kathodenkohlenstoffschicht eingebetteten Lithiumionen die Batterie, dringen in den Elektrolyten ein, durchdringen den Polymerfilm und werden schließlich in das aktive Material der positiven Elektrode eingebettet. Je mehr Lithiumionen in die positive Elektrode zurückkehren, desto höher ist die Entladekapazität. Der Entladevorgang wird durch das Deinking- und Einbettungsverhalten von Lithiumionen in bipolaren aktiven Materialien erreicht. Daher wird die Batteriekapazität gewöhnlich als "Entladekapazität" bezeichnet.

2 Der Einfluss der Temperatur

Aufgrund des Einflusses der Außentemperatur auf die Lade- und Entladeeigenschaften von Lithiumbatterien wird sie als Variable verwendet, um die Entladespannung derselben Batterie bei verschiedenen Temperaturen zu beobachten, um ihre Leistung zu bestimmen und ihre Arbeitsfähigkeit zu messen. Dieses Modell untersucht die Kurvenbilder der Batteriespannung bei 300 K und 500 K.

Für zwei Kurven wurde festgestellt, dass die Temperatur von 300 K auf 500 K wechselte und die Spannung am höchsten Punkt um fast 0,1 V anstieg, während die Spannung am niedrigsten Punkt um fast 0,1 V abnahm. Weitere Beobachtungen und Vergleiche der Kurven ergaben, dass die Spannung der Lithiumbatterie während der anfänglichen Entladungsphase schnell abnahm und die Steigung der Spannungskurve abnahm; am Ende der Entladung fällt die Spannungskurve stark ab und fällt schließlich auf die Abschaltspannung.

Durch die Analyse wurde festgestellt, dass die Spannungskurve der Batterieentladung bei verschiedenen Temperaturen erhebliche Veränderungen erfährt. Unter den gleichen anderen Bedingungen sinkt mit abnehmender Temperatur die anfängliche Entladespannung und die Entladezeit verkürzt sich. Daher fällt die Spannung in der Anfangsphase der Entladung stark ab und nimmt dann langsam ab, und aufgrund der Zunahme des Innenwiderstands steigt die Innentemperatur mit der Entladung, was zu einer Zunahme der Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten führt.

Am Ende der Entladung fällt die Spannung stark ab, weil die Konzentration der negativen Reaktanten abnimmt und die Menge der in die positive Elektrodenstruktur eingebetteten Lithiumionen zunimmt, was zum Ende der Reaktion führt. Mit abnehmender Umgebungstemperatur nimmt die Geschwindigkeit des Spannungsabfalls zu. Wenn eine Lithiumbatterie entladen wird, werden Lithiumionen in die Kathode eingelagert.

Je mehr Lithiumionen eingebettet sind, desto mehr Ladung wird freigesetzt, und die Spannung nimmt entsprechend ab. Ähnlich verhält es sich während des Ladevorgangs: Je mehr Lithiumionen aus der Anode entfernt werden, desto mehr Ladung wird geladen, und die Spannung steigt entsprechend an. Wenn jedoch die Temperatur weiter sinkt und die Viskosität des Elektrolyten weiter zunimmt, wird die Migration von Lithiumionen sehr schwierig, was zu einer allmählichen Abnahme der Migrationsmenge führt.

3 Der Einfluss der Größe des Radius der negativen Elektrodenpartikel

Aus den Veränderungen der Batteriespannung und der angewandten Batteriestromdichte bei einer bestimmten Temperatur lässt sich ablesen, dass Lithium-Ionen-Batterien bei einer Temperatur von 300 K folgende Gemeinsamkeiten aufweisen: Die Steigung der Spannungskurve ist in der Anfangsphase der Entladung hoch, und die Steigung ändert sich langsam. Schließlich sinkt sie mit einer festen Rate auf die Abschaltspannung und ändert sich dann plötzlich.

Am Ende der Entladung steigt die Steigung des Spannungsabfalls zunächst an und nimmt dann ab. Während des Entladevorgangs werden Lithium-Ionen in die negative Elektrode eingelagert, wodurch mehr Ladung freigesetzt wird und die Spannung abfällt. Im Gegensatz dazu werden beim Aufladen positive Lithium-Ionen eingelagert, wodurch mehr Ladung eindringt und die Spannung ansteigt.

Aus der Analyse der Daten zu den verschiedenen Radien der negativen Elektrodenpartikel lässt sich schließen, dass die Batteriespannung bei gleicher Stromdichte der verwendeten Batterieeinheit, die nahe bei Null liegt, umso geringer ist, je kleiner der Radius der negativen Elektrodenpartikel ist und je geringer die innere Spannung der Batterie ist. Daher ist die Lebensdauer der Batterie im Vergleich zu Batterien mit größeren negativen Elektrodenpartikeln länger.

4 Schlussfolgerung

Durch den Einsatz geeigneter Modellierungssoftware kann die Leistung des Lade- und Entladevorgangs von Lithium-Ionen-Batterien detailliert und genau untersucht werden, vom Makro- bis zum Mikrobereich, vom Experiment bis zum Modell. Dieser Artikel beginnt mit der elektrochemischen Reaktion von Lithium-Ionen-Batterien und zieht die folgenden Schlussfolgerungen:

(1) Die Temperatur kann die internen aktiven Substanzen und die Viskosität des Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen, wodurch sich die Effizienz des Lade- und Entladevorgangs ändert.

(2) Die Größe des Radius der Partikel der negativen Elektrode wirkt sich auf die Ablösung zwischen den Partikeln und der negativen Elektrode aus, was die Leitfähigkeitseffizienz weiter beeinträchtigt und letztlich die Effizienz des Ladens und Entladens beeinflusst.