Phân tích Lithium không thể phá hủy của các tế bào túi Li-ion, Cửa sổ tỷ lệ

Ứng dụng rộng rãi của pin lithium-ion, khách hàng cuối cũng đưa ra các yêu cầu ngày càng cao hơn đối với hiệu suất sạc nhanh của pin lithium-ion. Nhưng cải thiện hiệu suất sạc nhanh của pin lithium một cách mù quáng sẽ mang lại một số rủi ro an toàn nhất định, trong đó hậu quả nghiêm trọng nhất là xảy ra hiện tượng kết tủa lithium, một mặt dẫn đến hao hụt dung lượng, mặt khác cũng có thể xảy ra là ngắn mạch điện cực dương và âm khi xuyên qua màng ngăn. Làm thế nào để đánh giá xem máy phân tích pin lithium? Phương pháp truyền thống là tháo dỡ phương pháp pin để nhanh chóng xác định cửa sổ phân tích lithium của pin. 

Bằng cách tháo rời tế bào sạc đầy, quan sát bằng mắt thường xem có màu xám và trắng trên bề mặt âm của cặn lithium âm hay không. Tuy nhiên, phương pháp tháo gỡ là một phương pháp không tại chỗ. Một mặt, hoạt động rất rắc rối, mặt khác, nó chỉ có thể đánh giá tỷ lệ hoặc nhiệt độ phân tích lithium gần đúng và không thể có được cửa sổ phân tích lithium chính xác của tế bào, chẳng hạn như tỷ lệ, điện áp, công suất, nhiệt độ và các thông tin toàn diện khác. Bài báo này sử dụng máy phân tích độ trương nở tại chỗ (SWE) để đánh giá định lượng cửa sổ kết tủa lithium tiềm năng ở các tỷ lệ khác nhau, cung cấp một phương pháp mới cho các nhà nghiên cứu để phát triển các chiến lược sạc nhanh ở các tỷ lệ khác nhau.

Hình 1. Phân tích nguyên nhân và rủi ro của lithium¹

thông tin kiểm tra

1. Thiết bị kiểm tra: Máy phân tích độ phồng tại chỗ, model SWE2100, có thể áp dụng dải áp suất từ ​​5 ~ 10.000 N, có thể kiểm soát nhiệt độ -20℃ ~80℃, như trong Hình 2.

 Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của máy phân tích độ trương nở tại chỗ

2. Thông số kiểm tra

2.1 Thông tin ô được hiển thị trong Bảng 1.

Bảng 1. Thông tin di động

2.2 Quy trình kiểm tra: Đặt hộp nhiệt độ cao và thấp vào buồng thử nghiệm của máy phân tích sưng tại chỗ, đặt nhiệt độ thành 5oC, điều chỉnh tỷ lệ sạc của tế bào thành 0,2C, 0,5C, 0,8C, 1,0C, 1,5 C, dòng cắt 0,05C và dòng xả 2A. Mở tại chỗsưng tấymáy phân tích để theo dõi các tế bàosưng tấyđường cong thay đổi độ dày (chế độ áp suất không đổi 5kg) đồng thời.

TÔIdiễn giải kết quả

Ở nhiệt độ môi trường 5℃, các tế bào gói mềm được lấp đầy với năm tỷ lệ khác nhau, đường cong thay đổi sạc và tại chỗsưng tấyĐường cong thay đổi độ dày được thể hiện trong Hình 3. Độ dày tối đa 0,2C, 0,5C, 0,8C, 1,0C, 1,5C là 58,7m, 60,0m, 62,4m, 67,4m, 87,1m vàsưng tấytỷ lệ tương ứng là 1,82%, 1,86%, 1,92%, 2,09%, 3,75%. So vớisưng tấyđường cong tỷ lệ 1.0C và 1.5C khác biệt đáng kể so với ba đường cong còn lại, đặc biệt là độ dốc củasưng tấyđộ dày ở trạng thái SOC cao. Người ta nghi ngờ sơ bộ rằng tỷ lệ 1.0C là một chút lithium và tỷ lệ 1.5C đó là lithium nghiêm trọng.

Hình 3. Đường cong sạc và đường cong thay đổi độ dày với các tỷ lệ khác nhau

Các đường cong công suất chênh lệch cho các nhiệt độ khác nhau đã được phân tích sâu hơn, như thể hiện trong Hình 4. Như có thể thấy từ hình, vị trí cực đại của đường cong công suất chênh lệch tương ứng với 0,2C, 0,5C và 0,8C được đồng bộ hóa với sự thay đổi của độ dàysưng tấytốc độ, chỉ ra rằng sự thay đổi độ dày của quá trình sạc tế bào là do sự thay đổi pha của vật liệu điện cực dương và âm. Với tốc độ tăng gấp đôi, cực đại thay đổi pha di chuyển sang phải, cho thấy sự phân cực đang tăng lên. Độ dốc của đường cong năng lực công suất chênh lệch rõ ràng là khác với những đường cong khác. 

Như thể hiện trong Hình 5, rõ ràng là độ dày 1.0C và 1.5C xsưng tấycác đường cong bắt đầu tách khỏi độ dày trix khácsưng tấyđường cong khi SOC là khoảng 15%. Điều này có thể là do khi tỷ lệ thử nghiệm tăng lên, độ phân cực của tế bào tăng lên và có sự kết tủa lithium trên bề mặt âm, dẫn đến sự gia tăng độ dàysưng tấy. Để xác minh xem tế bào có phân tích lithium hay không, hãy quan sát màu bề mặt âm sau khi tháo rời, hình 6. Sạc đầy tốc độ 1,5C, bề mặt cực có màu trắng xám, sạc đầy 1,0C lần, phần bề mặt cực có màu trắng xám, cho biết cả hai có mức độ khác nhau phân tích lithium và tốc độ 0,8C khi lấp đầy cực âm có màu vàng vàng, không có hiện tượng lithium, điều này phù hợp với kết luận của chúng tôi từ độ dàysưng tấyđường cong.

Hình 4. Đường cong thay đổi dung lượng chênh lệch và độ dày của pin sạc

Hình 5. Đường cong sưng độ dày tế bào và đường cong vi phân

Hình 6. Hình ảnh sạc đầy và tháo pin của pin điện

Để xác minh thêm vị trí phân tích lithium, chúng tôi đã tiến hành hai bộ thí nghiệm sạc theo tầng số nhân khác nhau, tương ứng với thời gian nhỏ hơn trước và sau điểm uốn của độ dàysưng tấyđường cong: một bộ ô ở 0,5C sau khoảng 15,7% SOC sau 1,0C để sạc đầy, bộ ô còn lại sử dụng 0,5C khoảng 27,4% SOC sau 1,5 C để sạc đầy (Hình 7). Sau khi tháo rời các tế bào tương ứng, người ta tìm thấy kết tủa liti nhẹ trên bề mặt của cực dương 27,4%SOC và không có màu vàng vàng nếu không có kết tủa liti trong 15,7%SOC. Điều này cho thấy điểm kết tủa liti khi sạc ở hệ số nhân 1C xảy ra giữa S OC và 15,7% và 27,4%. So với Hình 5, về cơ bản nó phù hợp với vị trí S OC tương ứng khi 1.0Csưng tấyđường cong dốc bắt đầu phân nhánh.

Hình 7. Đường cong và hình ảnh tháo dỡ tỷ lệ bậc thang tế bào

Tổng hợp

Bài viết này sử dụng tại chỗsưng tấymáy phân tích (SWE) cho tế bào hệ thống LCO, ở cùng nhiệt độ ở các tốc độ khác nhau củasưng tấyphân tích hành vi, bằng cách so sánh tốc độ thay đổi độ dày của thời gian sạc khác nhau mở rộng, lấy ô hệ thống ở nhiệt độ môi trường 5℃ lớn hơn 1,0C lần sạc dòng điện không đổi lithium, xác định cửa sổ kết tủa lithium cho 1,0C đến khoảng 15% SOC bắt đầu dần dần liti. Định lượng chính xác điện áp phân tích lithium và cửa sổ SOC của các tế bào ở các tốc độ khác nhau có thể hướng dẫn hiệu quả các nhà nghiên cứu phát triển các chiến lược sạc nhanh phù hợp để đảm bảo sạc an toàn và hiệu quả ở các tốc độ khác nhau.

Tài liệu tham khảo

1. Thomas Waldmann, Björn-Ingo Hogg, Margret Wohlfahrt-Mehrens. Mạ Li là phản ứng phụ không mong muốn trong các tế bào Li-ion thương mại - Một đánh giá. Tạp chí Nguồn điện 384 (2018) 107–124.

2. Anna Tomaszewska, Zhengyu Chu, Xuning Feng và cộng sự Sạc nhanh pin lithium-ion: Đánh giá. eTransportation 1 (2019) 100011.