Ảnh hưởng của Tỷ lệ phóng điện đối với việc mở rộng âm lượng trong giai đoạn nghỉ ngơi

Ảnh hưởng của tỷ lệ điện tích-xả đối với khối lượng sưng lên trong giai đoạn nghỉ ngơi

Pin lithium-ion đi kèm với hiện tượng phồng thể tích trong quá trình hình thành, lưu thông, lưu trữ và sạc quá mức, bao gồm cả cấu trúc.sưng tấyvà sản xuất khísưng tấy. Tốc độ sạc và xả xác định tốc độ phản ứng loại bỏ lithium của pin, cũng đi kèm với các mức độ khác nhau của quá trình sinh nhiệt hoặc kết tủa lithium. Khi nghiên cứu hiệu suất điện của tế bào, các nhà nghiên cứu thường tăng một khoảng thời gian nhất định khi kết thúc quá trình sạc hoặc xả để ổn định trạng thái của tế bào và loại bỏ hiệu ứng nhiệt hoặc phân cực. Thể tích tế bào thay đổi như thế nào trong giai đoạn nghỉ? Bài viết này khám phá tác động của hệ số nhân đối vớisưng tấycủa hệ thống LCO/Graphite.

Hình 1. Các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến quá trình sạc nhanh của pin lithium-ion^[1]

² Thông tin kiểm tra

1. Thiết bị kiểm tra: Máy theo dõi lượng sản xuất khí tại chỗ, model GVM2200, có thể kiểm soát nhiệt độ 20℃ ~80℃, như trong Hình 2.

Hình 2. Giám sát khối lượng sản xuất khí 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 Thông số thí nghiệm

Bốn nhóm thử nghiệm được đặt theo các thông số trong Bảng 2 bên dưới và tạm dừng trong 1 giờ sau mỗi lần sạc và xả. Sau đó, pin được đặt trong thiết bị theo dõi thể tích sản xuất khí tại chỗ, điều chỉnh nhiệt độ bể dầu thành 25oC và theo dõi sự thay đổi âm lượng của tế bào trong thời gian thực.

Bảng 2. Thông số nạp và xả

Giải thích kết quả

1. Theo dõi tại chỗ Đường cong sưng thể tích tế bào trong toàn bộ quá trình

Đường cong phóng điện và đường cong thay đổi âm lượng trong bốn chu kỳ được hiển thị trong Hình 3. Giai đoạn sạc dòng điện không đổi: Khi S OC liên tục tăng, âm lượng mở rộng liên tục, điều này chủ yếu liên quan đến sự mở rộng cấu trúc của lithium-ion liên tục nhúng trong than chì. Sau khi bước vào giai đoạn áp suất không đổi và giá đỡ, thể tích của tế bào bắt đầu co lại và dần dần đạt đến sự ổn định. Trong giai đoạn xả dòng không đổi: với sự tăng dần của DOD, thể tích của tế bào tiếp tục co lại và khi tốc độ phóng điện tăng gấp đôi dần dần trở nên nhỏ, thì thể tích phóng điện ban đầu của tế bào sưng lên bất thường cũng dần dần giảm dần. Bước sang giai đoạn giá thể sau khi phóng điện, thể tích của tế bào tiếp tục giảm và ổn định theo thời gian. Kế tiếp,

Hình 3. Đường cong thay đổi thể tích và dòng điện nạp, xả khác nhau của tế bào điện

2. Phân tích độ phồng của khối lượng trong giai đoạn chờ sạc

Phần giá đỡ có thể sạc lại A của mỗi vòng trong Hình 3 đã được chọn để phân tích, như thể hiện trong Hình 4. Khi dòng điện cắt của mỗi vòng giảm dần, theo đường cong âm lượng của giá, khi không có CV trong vòng đầu tiên lap, dòng điện cắt của sạc là 1C. Lúc này khối lượng giảm dần theo thời gian lên kệ và không đổi sau khoảng 1500s. Trong ba vòng cuối cùng, giai đoạn áp suất không đổi được tăng lên. Khi dòng điện cắt sạc nhỏ hơn 0,1C, hiện tượng co âm lượng xuất hiện khi bắt đầu áp suất không đổi, sau đó khi tăng giá đỡ sau khi sạc, âm lượng về cơ bản không thay đổi. Điều này cho thấy sự co rút thể tích và giảm dòng điện, khi có áp suất không đổi, dòng điện giảm đi kèm với sự co rút thể tích,

Hình 4. Ảnh hưởng của dòng điện cắt điện tích lên thể tích giá đỡ

Để giải thích thêm về quá trình truyền tải lithium-ion và tiến hóa trạng thái sạc trong quá trình sạc áp suất không đổi dòng điện, mô hình cơ điện hóa được sử dụng để nghiên cứu sự phân bố nồng độ, ứng suất và biến dạng của lithium trong quá trình sạc.

1. Giai đoạn sạc dòng không đổi

Trong giai đoạn sạc dòng không đổi, lithium-ion liên tục được nhúng vào lớp than chì, dẫn đến sưng cấu trúc. Khi SOC liên tục phát triển, khối lượng không ngừng mở rộng. Khi quá trình sạc dòng điện không đổi hoàn tất, nồng độ ion lithium trong chất điện phân, nồng độ lithium trong các hạt điện cực âm, biến dạng và ứng suất như trong Hình 5. Hình 5 (a) cho thấy chất lỏng càng gần catốt càng nhiều thì nồng độ lithium-ion trong chất điện phân càng cao. Điều này là do các hạt dương / âm gần màng ngăn được ưu tiên là lithium / lithium. Khi kết thúc quá trình sạc dòng điện không đổi, mức độ loại bỏ lithium / loại bỏ lithium của các hạt gần màng ngăn lớn hơn mức độ của các hạt gần bộ sưu tập chất lỏng. Từ HÌNH. 5 (b), nồng độ lithium cao hơn trong các hạt âm gần màng ngăn. Điều này là do chất điện phân ở vùng âm cách xa màng ngăn có khoảng cách khuếch tán lithium dài hơn so với các hạt âm gần màng ngăn, cho phép lithium-ion đến cực dương được ưu tiên đưa vào các hạt gần màng ngăn.

Trong các hạt điện cực âm gần màng ngăn, nồng độ lithium pha rắn cao hơn, do đó sức căng của chúng cũng cao hơn, như thể hiện trong Hình 5 (c). Trong khi đó, biến dạng lớn hơn trên bề mặt tự do của các hạt, nhưng ít hơn trên bề mặt tiếp xúc giữa các hạt và giữa các hạt với ranh giới. Điều này là do việc chèn các ion lithium gây ra sự sưng thể tích của các hạt. Bề mặt tự do của các hạt mở rộng ra bên ngoài, dẫn đến biến dạng lớn hơn. Tuy nhiên, biến dạng trên bề mặt tiếp xúc nhỏ hơn dưới sự ràng buộc của các hạt và ranh giới liền kề. Hình 5 (d) cho thấy phân bố ứng suất ngược với phân bố biến dạng. Điều này là do bề mặt tự do của các hạt không bị hạn chế và do đó ứng suất ít hơn. Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc bị hạn chế mạnh và do đó ứng suất lớn hơn. Ứng suất tối đa nằm ở các hạt gần cơ hoành.

Biến dạng trung bình của hạt điện cực âm (có nghĩa là giá trị trung bình của toàn thân hạt trong điện cực) trong quá trình sạc dòng điện không đổi được thể hiện trong Hình 6. Cả hai đều tăng dần theo thời gian và xu hướng thay đổi của chúng về cơ bản phù hợp với mối quan hệ được hiển thị trong Hình 3. Sau khi sạc CC, biến dạng trung bình và ứng suất trung bình lần lượt đạt giá trị tối đa.

HÌNH 5. Nồng độ lithium-ion (a) và nồng độ lithium pha rắn hạt than chì (b), sự phân bố biến dạng (c) và ứng suất (d) của các hạt than chì ở cuối quá trình sạc 1C CC^[2]

Hình 6 1 Biến dạng trung bình và ứng suất trung bình của các hạt cực dương trong quá trình sạc CCC^[2]

2. Giai đoạn sạc điện áp không đổi

Sau khi hoàn thành quá trình sạc dòng điện không đổi, điện áp không đổi được sạc ở điện áp cắt cho đến khi dòng điện giảm xuống dòng điện cắt. Nồng độ ion liti trong chất điện phân và nồng độ, biến dạng và ứng suất liti trong các hạt điện cực âm khi kết thúc quá trình sạc áp suất không đổi được thể hiện trong Hình 7. Hình 7 (a) cho thấy nồng độ ion liti trong chất điện phân là giống nhau ở hầu hết các vùng. So sánh Hình 7 (a) và Hình 5 (a) cho thấy nồng độ lithium-ion tối đa trong chất điện phân khi kết thúc quá trình sạc CV thấp hơn nồng độ lithium-ion tối đa khi kết thúc quá trình sạc CC. Điều này là do dòng điện vẫn còn cao khi kết thúc quá trình sạc CC, vì vậy một lượng lớn các ion lithium vẫn thoát ra từ điện cực dương.

Có thể thấy từ Hình 7 (b) rằng mặc dù sạc CV, nồng độ lithium trong các hạt điện cực âm vẫn không đồng đều ở cuối quá trình sạc. Nồng độ của lithium cao hơn trong các hạt gần màng ngăn. Điều này là do dòng điện chưa giảm xuống 0 khi kết thúc quá trình sạc CV. Tuy nhiên, so sánh giữa FIGS. Hình 7 (b) và Hình 5 (b) cho thấy chênh lệch nồng độ lithium trong các hạt điện cực âm ở cuối quá trình sạc CV thấp hơn đáng kể so với chênh lệch nồng độ lithium ở cuối quá trình sạc CC. Nếu kéo dài thời gian sạc CV, nghĩa là dòng điện cắt liên tục giảm, thì sự chênh lệch nồng độ lithium trong các hạt điện cực âm sẽ tiếp tục giảm xuống mức không đáng kể.

So sánh FIG 7 (b, c) và 5 (b, c) cho thấy nồng độ và biến dạng lithium trong các hạt điện cực âm khi kết thúc quá trình sạc CV đồng đều hơn so với khi kết thúc quá trình sạc CC. Điều này có nghĩa là hiệu ứng phân cực bị giảm bớt trong quá trình sạc CV. So sánh FIG 7 (d) và 5 (d) cho thấy ứng suất trong các hạt điện cực âm khi kết thúc quá trình sạc CV lớn hơn ứng suất khi kết thúc quá trình sạc CC. Điều này chủ yếu là do lithium-ion được nhúng sâu hơn vào các hạt trong quá trình sạc CV.

Hình 8 cho thấy biến dạng trung bình và ứng suất trung bình của các hạt điện cực âm trong quá trình sạc CV. Có thể thấy rằng đầu tiên chúng tăng theo thời gian, sau đó cả hai đều cho thấy một xu hướng giảm nhỏ. Điều này chủ yếu là do lithium-ion được nhúng sâu hơn vào các hạt trong quá trình sạc CV. Nhưng sự khác biệt về nồng độ lithium trong các hạt ngày càng nhỏ hơn. Do đó, sự căng thẳng và căng thẳng gây ra bởi sự chênh lệch nồng độ lithium giảm. Các kết quả mô phỏng phù hợp với các thí nghiệm được hiển thị trong Hình 3 và 4.

Hình 7. Nồng độ lithium-ion (a) và nồng độ lithium pha rắn âm (b), sự phân bố biến dạng (c) và ứng suất (d) trong chất điện phân khi kết thúc quá trình sạc CV^[2]

Hình 8 Biến dạng trung bình và ứng suất trung bình của các hạt điện cực âm trong giai đoạn sạc CV^[2]

3. Phân tích khối lượng sưng của giai đoạn xả và xếp hàng

Phần giá đỡ đã xả B của mỗi vòng lặp trong Hình 3 đã được chọn để phân tích, như thể hiện trong Hình 9. Từ góc độ của đường cong âm lượng, khi tốc độ xả giảm, sự thay đổi âm lượng giảm dần và thời gian của âm lượng sự ổn định bị rút ngắn dần. Hiện tượng co rút thể tích ở giai đoạn tạm dừng sau khi phóng điện tương tự như giai đoạn tạm dừng sau khi sạc, hiện tượng này liên quan đến sự phân cực và phân bố nồng độ lithium không đồng đều bên trong tế bào. Đường cong thay đổi âm lượng tương ứng với lượng xả nhân khác nhau được phân tích. Như được hiển thị trong Hình 10, trong giai đoạn phóng điện ban đầu, thể tích của tế bào được mở rộng bất thường và khi tỷ lệ phóng điện giảm xuống, lượng trương nở cũng giảm dần,

Hình 9. Ảnh hưởng của dòng xả đến thể tích giá đỡ

Hình 10. Ảnh hưởng của dòng xả đến tổng thể tích và thể tích hồi phục

Theo kết quả mô phỏng của quá trình sạc dòng điện không đổi và điện áp không đổi, lithium được tách ra khỏi các hạt điện cực âm khi quá trình phóng điện tiếp tục. Đồng thời, thế điện hóa điều khiển lithium trong chất điện phân bằng cách di chuyển từ điện cực âm sang điện cực dương. Nồng độ lithium trong các hạt âm giảm nhưng tăng trong các hạt dương. Theo hướng độ dày của điện cực, cũng có vấn đề phân bố nồng độ lithium không đồng đều. Sự khác biệt về nồng độ lithium này có liên quan đến độ dày và hệ số nhân của điện cực. Như thể hiện trong Hình 11, khi kết thúc quá trình phóng điện, độ dày điện cực tương đối nhỏ hoặc tỷ lệ nhân đôi tương đối nhỏ, và sự phân bố nồng độ lithium tương đối đồng đều. Khi độ dày điện cực hoặc hệ số nhân tăng lên, sẽ xuất hiện sự chênh lệch nồng độ đáng kể. Đối với cực dương, nồng độ hạt lithium gần màng ngăn và gần bộ thu chất lỏng là thấp. Do đó, khi tốc độ phóng điện giảm, sự khác biệt về nồng độ lithium bên trong pin trở nên nhỏ hơn, ứng suất và sự thay đổi do chênh lệch nồng độ gây ra sẽ nhỏ. Lượng thay đổi âm lượng cũng giảm dần và thời gian ổn định âm lượng dần được rút ngắn. với việc giảm tốc độ xả, sự khác biệt về nồng độ lithium trong pin trở nên nhỏ hơn, đồng thời ứng suất và sự thay đổi do chênh lệch nồng độ gây ra sẽ nhỏ. Lượng thay đổi âm lượng cũng giảm dần và thời gian ổn định âm lượng dần được rút ngắn. với việc giảm tốc độ xả, sự khác biệt về nồng độ lithium trong pin trở nên nhỏ hơn, đồng thời ứng suất và sự thay đổi do chênh lệch nồng độ gây ra sẽ nhỏ. Lượng thay đổi âm lượng cũng giảm dần và thời gian ổn định âm lượng dần được rút ngắn.

QUẢ SUNG. 11 Phân bố nồng độ lithium pha rắn dạng hạt ở cuối quá trình xả^[3]

Tổng hợp

Bài báo này sử dụng công cụ giám sát thể tích khí tại chỗ (GVM2200), theo dõi hành vi sưng thể tích tế bào của hệ thống LCO / Graphite ở các tốc độ khác nhau, nhận thấy rằng quá trình thể tíchsưng tấyhành vi không chỉ liên quan đến hành vi nhúng lithium, mà còn liên quan đến phân bố nồng độ lithium sạc và xả, cũng có thể liên quan đến hiệu ứng nhiệt tế bào do dòng điện gây ra. Do đó, việc đặt dòng điện ngắt sạc phù hợp có thể loại bỏ hiệu quả tác động của sự phân bố nồng độ lithium không đồng đều bên trong tế bào lên âm lượngsưng tấy. Tuy nhiên, do dòng điện của quá trình xả nói chung là lớn, nên cần tăng thời gian chờ tương ứng sau khi xả để làm cho tế bào đạt đến trạng thái ổn định.

Tài liệu tham khảo

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

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất hạt cực dương trong quá trình sạc pin lithium ion, Tạp chí Lưu trữ Năng lượng, 43(2021)103214.

3. Hideki Kikukawa, Kohei Honkura, Michihisa Koyama. Ảnh hưởng của điện trở giữa các hạt giữa các vật liệu hoạt tính đến đặc tính phóng điện của điện cực dương của pin lithium ion, Electrochimica Acta, 278(2018)385-395.