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Lithium-Ionen-Batterie Niedrigtemperatur-Hochgeschwindigkeits-Zyklustest

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Lithium-Ionen-Batterie Niedrigtemperatur-Hochgeschwindigkeits-Zyklustest

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Mit der raschen Expansion des Marktes für Elektrofahrzeuge treten die Probleme im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen immer deutlicher zutage, und eines der schwerwiegendsten Probleme ist die lange Ladezeit, so dass die Nachfrage nach Schnellladung immer dringender wird. Um den Anforderungen einiger kalter Regionen gerecht zu werden, ist auch die Leistung der Batterien bei niedrigen Temperaturen von Bedeutung. Daher steigt die Nachfrage nach Schnellladung bei niedrigen Temperaturen ständig. Allerdings führt eine schnelle Aufladung oder ein Betrieb bei niedrigen Temperaturen zu einer schnellen Verschlechterung der Batteriekapazität. Daher ist es dringend erforderlich, die Auswirkungen des Schnellladens bei niedrigen Temperaturen auf die Degradation von Batterien zu untersuchen, um dieses Problem zu lösen.

Prüfung

Die Leistungstestbedingungen der Batterie sind: bei -25 ° C, Laden und Entladen mit einer Rate von 2 C nach dem Konstantstrom Konstantspannungs-Lade- und Entladesystem (CC-CV), Aufzeichnung der tatsächlichen Kapazität alle 10 Zyklen, und führen Sie eine gemischte Pulsleistungscharakteristik-Test (HPPC). Der Zweck des HPPC-Tests besteht darin, den Innenwiderstand der Batterie zu bestimmen. Die Veränderungen der Kapazität und des Innenwiderstands der Batterie während langer Zyklen sind in Abbildung 1 dargestellt.

Zu Beginn des Zyklus nimmt die Kapazität der Batterie bei niedriger Temperatur schnell ab, aber in den folgenden Zyklen verlangsamt sich der Batterieabbau bis zu einem gewissen Grad. Darüber hinaus wurde bei der Messung der Standardkapazität der Batterie bei Raumtemperatur festgestellt, dass die Batteriekapazität teilweise wiederhergestellt wurde und die Wiederherstellungsrate mit zunehmender Anzahl der Zyklen allmählich anstieg. Sie kann nach 200 Zyklen 80-90% erreichen. Der Innenwiderstand der Batterie zeigt den entgegengesetzten Trend. In der Anfangsphase des Zyklus nimmt der Innenwiderstand linear und schnell zu, nach 200 Zyklen jedoch langsam.

Abbildung 1 Diagramm der Beziehung zwischen der Batteriekapazität und der Anzahl der Zyklen.

C_-25 °C:Die tatsächliche Entladekapazität, gemessen alle 10 Zyklen bei -25 ° C;

C_23 °C: die Standardkapazität, gemessen im dritten Zyklus bei Raumtemperatur von 23 °C;

R_d: Impuls-Entladeimpedanz;

R_C: Impuls-Ladeimpedanz

Abbildung 2 zeigt den Anteil der Konstantstrom-Entladekapazität an der Gesamt-Entladekapazität bei niedrigen Temperaturen (im CC-CV-System bei niedrigen Temperaturen umfasst der Entladevorgang die Konstantstrom-Entladung und die Konstantspannungs-Entladung). Es ist zu erkennen, dass die Konstantstrom-Entladekapazität allmählich abnimmt und bei etwa 120 Zyklen ein starker Abfall auftritt, der nur 15 % der gesamten Entladekapazität ausmacht.

Abbildung 2 CC-Entladekapazität und ihr Verhältnis zur gesamten Entladekapazität des Zyklus (C_cc: CC-Entladekapazität; C_cc-Verhältnis: Der Anteil der ZK-Entladekapazität an der gesamten Entladekapazität)

Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich ist, sind 120 Zyklen ein kritischer Punkt. Daher wurde die Batterie nach 120 Zyklen und langen Zyklen (250 Zyklen) zerlegt und analysiert. Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, bedecken die silberweißen Lithiummetallpartikel fast die gesamte negative Elektrode, und ihre Verteilung ist ungleichmäßig, mit mehr an den Rändern, was mit der ungleichmäßigen Stromverteilung und Wärmeentwicklung zusammenhängt. Abbildung 4 zeigt die REM-Aufnahme der Elektrode, aus der hervorgeht, dass mit zunehmender Anzahl der Lade- und Entladezyklen auch die Anzahl der Lithiumdendriten allmählich zunimmt, wodurch die Graphitpartikel weniger sichtbar werden. Dies deutet darauf hin, dass die Ausfällung von Lithium der Hauptgrund für das Versagen der Batterie bei niedrigen Temperaturen und hohen Geschwindigkeiten ist. Außerdem deutet es darauf hin, dass sich Lithium bevorzugt an den Rändern der Elektrode ablagert.

Abbildung 3 Die negative Elektrode nach verschiedenen Zyklen

Abbildung 4 REM-Aufnahmen der negativen Elektrodenoberfläche nach verschiedenen Zyklen (A, a; D, d): 0 Windungen; (B, b; E, e): 120 Windungen; (C, c; F, f): 250 Umdrehungen (A-C): Rand; (D-F): Mitte (a - f): Das entsprechende vergrößerte Bild von (A - F)

Um den Entwicklungsprozess der Lithiumabscheidung zu untersuchen, wurde das Profil der negativen Elektrode analysiert, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Ablagerung von Lithiummetall ist sehr ungleichmäßig, und die Ablagerungsschicht am Rand ist deutlich dicker. Nach 120 Zyklen beträgt die Dicke der Randschicht 15 µ m, während die Dicke im mittleren Bereich nur 7 µ m beträgt. Und mit zunehmender Zyklenzahl wird die abgeschiedene Lithiummetallschicht dicker. Anschließend wurde eine XPS-Analyse der negativen Elektrodenoberfläche durchgeführt.

Das Vorhandensein von Karbiden konnte auf der Elektrodenoberfläche nicht nachgewiesen werden, was darauf hindeutet, dass die Graphitoberfläche vollständig von anderen Substanzen bedeckt war. Bei der großen Menge der nachgewiesenen Lithiumverbindungen handelte es sich um SEI-Komponenten, die bei der Reaktion zwischen Lithiummetall und Elektrolyt entstehen. Nach tiefem Ätzen der negativen Elektrode wurde das Vorhandensein von elementarem Lithium entdeckt, was einmal mehr beweist, dass Lithiummetall einer der Gründe für das Versagen der Batterie ist.

Abbildung 5 REM-Aufnahmen von Querschnitten der negativen Elektrode nach verschiedenen Zyklen (A-C) Rand; (D-F): Mitte (a - f): Das entsprechende vergrößerte Bild von (A - F)

Schlussfolgerung

Diese Arbeit befasst sich mit dem Mechanismus der Kapazitätsdegradation von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen und hoher Rate. Unter diesen Betriebsbedingungen weist die Batterie einige besondere Phänomene auf, wie z. B. einen starken Abfall der Konstantstrom-Entladekapazität während des mittleren Zyklus, eine geringere Ladekapazität als Entladekapazität und eine Erholung der Batteriekapazität. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass Lithiumablagerungen die Hauptursache für diese charakteristischen Verhaltensweisen und das Problem des Batterieversagens sind.

Konkret erhöht die Lithiumablagerung den Innenwiderstand der Batterie, was zu einer Abnahme der Entladekapazität der Batterie führt. Gleichzeitig erhöhen die abnehmende Leitfähigkeit des Elektrolyten, die Elektrodenreaktion und die Festphasendiffusion der Ionen den Innenwiderstand der Batterie weiter, was zu einer starken Abnahme der Batteriekapazität führt. Aufgrund der aktiven Natur des abgeschiedenen Lithiummetalls kann es sich jedoch immer noch auflösen und während der Entladung zur positiven Elektrode zurückkehren, was zu einer Entladekapazität führt, die höher ist als die Ladekapazität. Darüber hinaus kann es bei einem Anstieg der Umgebungstemperatur immer noch in die negative Graphitelektrode eingebettet werden, wodurch sich die Kapazität erholt.