Ảnh hưởng của tốc độ sạc đối với khí nạp quá mức của tế bào

Chất điện phân là một trong bốn nguyên liệu chính của pin lithium-ion. Nó có tác động quan trọng đến việc sản xuất khí trong quá trình sạc quá mức của pin lithium-ion. Chọn công thức chất điện phân phù hợp có thể liên tục sửa chữa hư hỏng SEI của pin trong suốt chu kỳ và bảo trì các điện cực. Sự ổn định cấu trúc của vật liệu duy trì năng lực tế bào và hiệu suất năng động. Từ góc độ dung môi, muối lithium và chất phụ gia, cải thiện độ an toàn của chất điện phân trong quá trình sử dụng là một hướng nghiên cứu quan trọng của chất điện phân. Vì mỗi thành phần chất điện phân đều có tiềm năng phản ứng điện hóa riêng, nếu đạt đến tiềm năng này, phản ứng điện hóa sẽ xảy ra và một lượng khí nhất định sẽ được tạo ra cùng một lúc, khiến thể tích của tế bào mở rộng và thậm chí là một vụ nổ^1-3. Điện áp của pin cao hơn khi được sạc quá mức, điều này có nhiều khả năng gây ra sự phân hủy dung môi và chất phụ gia trong chất điện phân, dẫn đến sinh ra khí, nhưng tốc độ sạc khác nhau sẽ ảnh hưởng đến khả năng bắt đầu sản xuất khí và khối lượng sản xuất khí. Trong bài báo này, thiết bị theo dõi âm lượng tại chỗ (GVM) được sử dụng để thực hiện kiểm tra âm lượng sạc quá mức tại chỗ trong các điều kiện tốc độ sạc khác nhau (0,5C/1,0C/2,0C/3,0C) trên pin lithium coban/than chì (lý thuyết dung lượng 1000mAh), đồng thời so sánh và phân tích hành vi sản xuất khí của tế bào.

Hình 1.Sơ đồ các chế độ hỏng hóc của pin lithium-ion¹

Thiết bị thí nghiệm và phương pháp thử nghiệm

1. Thiết bị thử nghiệm: Model GVM2200 (IEST), phạm vi nhiệt độ thử nghiệm là 20℃~85℃ và nó hỗ trợ thử nghiệm đồng bộ kênh đôi. Sự xuất hiện của thiết bị được thể hiện trong Hình 2.

Hình 2.Ngoại hình của thiết bị GVM2200

2. Phương pháp kiểm tra: Ban đầu cân ô m₀, đặt ô cần kiểm tra vào kênh tương ứng của thiết bị, mở phần mềm MISG, đặt các tham số số ô và tần số lấy mẫu tương ứng với từng kênh và phần mềm sẽ tự động đọc thay đổi âm lượng và kiểm tra Dữ liệu như nhiệt độ, dòng điện, điện áp, công suất, v.v.。

Giám sát tại chỗ hành vi tạo khí của pin Lithium-ion

1．Phân tích Đường cong Sạc và Xả và Đường cong Thay đổi Âm lượng

Đường cong thay đổi âm lượng, điện áp và đường cong công suất vi sai của ô được thể hiện trong Hình 3(a)(b)(c). Các tốc độ sạc khác nhau được sử dụng để sạc quá mức các ô pin lên 5V với dòng điện không đổi. Có thể thấy từ Hình 3(a) rằng khi tốc độ sạc tăng lên, công suất sạc tương ứng sẽ giảm khi pin được sạc quá mức đến 5V và đường cong thay đổi âm lượng tương ứng với 0,5C và 1,0C sẽ có điểm uốn rõ ràng khi điện áp gần 5V và sản lượng khí sẽ tăng mạnh. Có thể thấy từ đường cong dung lượng chênh lệch trong Hình 3(b) rằng khi tốc độ sạc tăng lên, hai tập hợp các vị trí cực đại lithium đã khử xen kẽ ở các vị trí ① và ② dịch chuyển dần sang phải, cho thấy sự phân cực tăng dần. Hình 3(c) là đường cong sau khi đường cong thay đổi âm lượng được phân biệt bởi điện áp. Có thể thấy có khoảng ba đỉnh sinh khí, trong khi hai bộ đường cong 2.0C và 3.0C hầu như không có đỉnh rõ rệt ở vị trí thứ ba.

Hình 3. Đường cong sạc và xả của pin ở bốn tốc độ (a); đường cong năng lực chênh lệch (b); đường cong thay đổi thể tích vi sai (c)

2. Phân tích công suất tế bào và điện áp khí

Bảng 1 và Hình 4 cho thấy khả năng sạc pin và thông tin điện áp điểm uốn của đường cong sản xuất khí ở các tốc độ khác nhau. Khi tốc độ sạc tăng lên, khả năng sạc của tế bào sẽ giảm dần và khi tốc độ tăng từ 2C lên 3C, tốc độ suy giảm dung lượng cũng tăng lên. Từ đường cong sản xuất khí của tế bào, có thể thấy rằng sản lượng khí ở tốc độ nhỏ 0,5C lớn hơn đáng kể so với tương ứng với tốc độ trên 1C. So sánh và phân tích đường cong suy giảm công suất và đường cong suy giảm sản xuất khí, có thể thấy rằng với việc tăng tốc độ sạc, lý do chính khiến công suất tế bào suy giảm không phải là do sản lượng khí tăng lên. Có thể do tốc độ tăng mà độ phân cực tế bào tăng, điều này làm cho việc khử xen kẽ các ion lithium trở nên khó khăn hơn. Có thể thấy từ đường cong vi phân của sự thay đổi thể tích rằng các điện áp tương ứng của ba nhóm cực đại sản xuất khí đều dịch chuyển sang phải khi độ phóng đại tăng lên. Khi độ phóng đại là 3,0C, đỉnh sinh khí thứ ba không xuất hiện, cho thấy sự phân cực ngày càng tăng của tế bào pin làm tăng điện áp phân hủy của các thành phần điện phân, dẫn đến tổng thể sinh ra khí trong tế bào ít hơn.

Bảng 1. Thông tin liên quan đến khả năng sạc pin và sản xuất khí tương ứng với các độ phóng đại khác nhau

Hình 4. Đường cong phân tích công suất, sản lượng khí và điện áp sản xuất khí dưới các độ phóng đại khác nhau

Bản tóm tắt

Bài viết này sử dụng thiết bị theo dõi thể tích sản xuất khí tại chỗ hai kênh có thể kiểm soát nhiệt độ để theo dõi hành vi sản xuất khí của các tế bào lithium-ion trong các điều kiện sạc quá mức khác nhau. Có thể thấy rằng khi tốc độ sạc tăng lên, dung lượng của tế bào sẽ giảm. Sản xuất khí giảm và điện áp ban đầu của sản xuất khí tăng lên. Phân tích định tính tiếp theo của các thành phần sản xuất khí có thể được kết hợp để khám phá thêm tác động của các loại và hàm lượng dung môi và phụ gia khác nhau đối với việc sạc quá mức của các tế bào pin và giúp nhân viên R&D phát triển hệ thống điện phân đáng tin cậy an toàn hơn.

Người giới thiệu

1. Jing Xie, Yi-Chun Lu. Hồi tưởng về pin lithium-ion.truyền thông tự nhiên.(2020) 11:2499.

2. CP Aiken, JR Dahn et al. Một thiết bị để nghiên cứu sự tiến hóa của khí tại chỗ trong các tế bào túi Li-Ion.J. Điện Sóc, 161(2014) A1548-A1554.

3. Randolph A. Leising. Thử nghiệm Lạm dụng Pin Lithium-Ion -Đặc điểm của Phản ứng Sạc quá mức của các tế bào LiCoO2ÕGraphite. Tạp chí của Hiệp hội Điện hóa, 148(8):A838-A844 (2001).