Ảnh hưởng của việc lưu trữ ở nhiệt độ cao ở trạng thái sạc (SOC) khác nhau đến việc tạo khí trong tế bào pin

Pin lithium-ion có ưu điểm là năng lượng riêng cao và tuổi thọ cao, đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, xe điện và lưu trữ năng lượng. Các kịch bản ứng dụng khác nhau có các yêu cầu khác nhau về việc lưu trữ ở nhiệt độ cao, đặc biệt là trong lĩnh vực điện thoại di động, máy tính bảng và máy tính xách tay, những lĩnh vực này có yêu cầu rõ ràng về việc lưu trữ pin lithium ở nhiệt độ cao. Hiện tại, một số kỹ thuật viên đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau đến hiệu suất của pin ở các điện áp khác nhau và cũng đã giải thích các cơ chế tương ứng. Tuy nhiên, phân tích định lượng tại chỗ về sự thay đổi thể tích của tế bào lưu trữ nhiệt độ cao hiếm khi được báo cáo. Bài viết này chủ yếu sử dụng máy theo dõi khối lượng sản xuất khí tại chỗ (GVM2200) của IEST để so sánh và giám sát sự thay đổi thể tích và điện áp mạch hở của các tế bào SOC khác nhau trong quá trình bảo quản ở nhiệt độ cao.

1.Thông tin bài kiểm tra

1.1 Thiết bị kiểm tra: Model, thiết bị giám sát khối lượng sản xuất khí tại chỗGVM2200 (IEST), nhiệt độ có thể điều chỉnh 20°C~85°C. Hình 1 cho thấy sự xuất hiện của thiết bị.

Hình 1. Sơ đồ thiết bị giám sát khối lượng khí sản xuất tại chỗ

1.2 Thông số kiểm tra

1.2.1Thông tin về pin được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1. Thông tin về pin

2.Phân tích kết quả

Chọn năm ô mẫu song song và điều chỉnh SOC của chúng ở nhiệt độ phòng đến 100%, 80%, 50%, 30% và 0%. Sau khi điều chỉnh, các tế bào này được để trong 15 giờ và sau đó bộ theo dõi âm lượng tại chỗ (GVM2200) được bắt đầu ghi lại điện áp và thể tích của các tế bào SOC khác nhau trong bể dầu 85°C theo thời gian.

2.1 Thay đổi điện áp

Như trong Hình 2: đồ thị bên trái thể hiện đường cong thay đổi của điện áp mạch hở được bảo quản ở 85°C trong 7 ngày và đồ thị bên phải thể hiện đường cong thay đổi của điện áp mạch hở sau 1 giờ thử nghiệm. Có thể thấy rằng với việc kéo dài thời gian lưu trữ, điện áp mạch hở tổng thể có xu hướng giảm và khi SOC lưu trữ của pin giảm, xu hướng giảm tiếp tục chậm lại. Tế bào thử nghiệm ban đầu được đưa vào môi trường bể dầu 85°C từ nhiệt độ phòng, diễn ra quá trình cân bằng nhiệt và sự thay đổi điện áp mạch hở trong giờ đầu tiên được so sánh và phân tích (hình bên phải): 100% và 80% SOC nhóm ô có xu hướng giảm, pin 50%, 30% và 0% có giai đoạn tăng. Điều này liên quan đến hệ số nhiệt entropy của lõi pin:

Trong đó, E tượng trưng cho điện áp hở mạch, z tượng trưng cho lượng chuyển dời của electron trong phương trình phản ứng hóa học luôn dương; T đại diện cho nhiệt độ tuyệt đối, luôn dương; F là hằng số Faraday, luôn dương; ∆Q biểu thị nhiệt phản ứng của pin trong một SOC cụ thể, có thể dương hoặc âm. Hệ số thay đổi entropy của pin ∂E/∂T là một thông số vật lý quan trọng đặc trưng cho đặc tính nhiệt của pin. Nó đại diện cho sự thay đổi của lực điện động của pin theo nhiệt độ và có thể phản ánh sự sinh nhiệt thuận nghịch của pin trong quá trình sạc và xả; Khi hệ số biến thiên entropy có giá trị âm thì dòng điện có giá trị âm trong quá trình phóng điện, entropy thuận nghịch của pin trở thành giá trị dương và nhiệt lượng thuận nghịch của pin tỏa nhiệt; Khi hệ số thay đổi entropy có giá trị dương, entropy thuận nghịch của pin sẽ trở nên âm trong quá trình phóng điện và nhiệt thuận nghịch của pin được biểu thị dưới dạng hấp thụ nhiệt. Kết hợp công thức ① và sự thay đổi điện áp ban đầu, có thể thấy rằng khi tế bào ở mức 100% và 80% SOC, tế bào được đặt trong môi trường bể dầu ở nhiệt độ 85°C so với nhiệt độ phòng và điện thế giảm khi nhiệt độ tăng, hệ số biến thiên entropy ∂E/∂T âm và quá trình phóng điện lúc này là phản ứng tỏa nhiệt; ở 0%, 30% và 50% SOC, điện thế tăng khi nhiệt độ tăng, hệ số biến đổi entropy ∂E/∂T là dương, và quá trình phóng điện là phản ứng thu nhiệt. Điều đó có nghĩa là, hiệu ứng nhiệt của pin sẽ thay đổi khi SOC thay đổi trong quá trình sạc và xả. Khi pin ở trạng thái sạc thấp (0%-50%SOC), các ion lithium bên trong pin sẽ được nhúng vào vật liệu điện cực dương và được làm giàu xung quanh điện cực dương. Khi nhiệt độ tăng lên, các ion lithium bên trong vật liệu điện cực dương sẽ thoát ra khỏi vật liệu điện cực dương dưới tác dụng của nhiệt, dẫn đến điện thế pin tăng, điện áp pin tiếp tục tăng và hệ số nhiệt entropy trở thành giá trị dương. Khi pin ở trạng thái sạc cao hơn (80%-100% SOC), một số lượng lớn các ion lithium được xen vào vật liệu điện cực âm và được làm giàu xung quanh điện cực âm, khi nhiệt độ của pin tăng lên, một phần ion lithium được giải phóng khỏi điện cực âm than chì dưới tác dụng của nhiệt và tiềm năng của điện cực âm tăng lên, do đó điện áp của toàn bộ pin giảm liên tục và hệ số thay đổi entropy hiển thị giá trị âm. Trong toàn bộ quá trình, các phản ứng phụ của chất điện phân cũng ảnh hưởng đến đặc tính nhiệt của pin. do đó điện áp của toàn bộ pin giảm liên tục và hệ số thay đổi entropy có giá trị âm. Trong toàn bộ quá trình, các phản ứng phụ của chất điện phân cũng ảnh hưởng đến đặc tính nhiệt của pin. do đó điện áp của toàn bộ pin giảm liên tục và hệ số thay đổi entropy có giá trị âm. Trong toàn bộ quá trình, các phản ứng phụ của chất điện phân cũng ảnh hưởng đến đặc tính nhiệt của pin.

Hình 2. Đường cong điện áp mạch hở theo thời gian lưu trữ

2.2 Thay đổi âm lượng

GVM2200 tại chỗ giám sát quá trình sản xuất khí của các tế bào SOC khác nhau theo thời gian, như trong Hình 3: mức tăng thể tích của các tế bào được bảo quản ở nhiệt độ 85 độ trong 7 ngày là 20,3% (100% SOC), 10,9% (80% SOC), và 5,9% (50% SOC), 3,5% (30% SOC), 2,8% (0% SOC). Việc sản xuất khí tiếp tục tăng theo thời gian và nó cho thấy xu hướng tăng tổng sản lượng khí của pin cùng với sự gia tăng của SOC lưu trữ. Hành vi sản sinh khí này chủ yếu là kết quả của hoạt động kết hợp của chất điện phân và các điện cực dương và âm. Ở trạng thái SOC cao, vật liệu điện cực dương có điện thế cao có nhiều khả năng xảy ra phản ứng phụ với chất điện phân để tạo ra khí. Đồng thời, SOC cũng sẽ có tác động đáng kể đến loại khí do pin tạo ra. Với SoC cao hơn, nhiều loại khí hơn sẽ được sản xuất. Khi SOC giảm, sản lượng khí ở mặt dương của tế bào giảm dần và sản lượng khí ở mặt âm tăng dần, và ở SOC thấp, sản lượng khí ở mặt âm lớn hơn nhiều so với SOC cao, đồng thời, sản lượng khí ở mặt tích cực nhỏ hơn so với mặt tiêu cực trong các tế bào SOC thấp [1], nhưng tổng sản lượng khí sản xuất ít hơn trong điều kiện SOC cao.

Hình 3. Đường cong sản lượng khí theo thời gian

2.3 Thay đổi công suất

Sự chênh lệch dung lượng của từng cell pin trước và sau khi lưu trữ được theo dõi riêng biệt như trong bảng sau: tốc độ duy trì dung lượng giảm liên tục khi tăng SOC lưu trữ và tốc độ phục hồi dung lượng cũng giảm liên tục. Nguyên nhân chủ yếu là do SOC tăng làm cho điện thế catốt tăng và quá trình oxy hóa tăng lên, trong khi điện thế anode giảm làm tăng khả năng khử, cả hai đều dẫn đến tốc độ tự phóng điện của pin tăng lên , dẫn đến sự suy giảm công suất liên tục. Sự mất mát công suất không thể phục hồi có thể là do một số phản ứng phụ trong quá trình bảo quản ở nhiệt độ cao. Ví dụ, những phản ứng phụ này của cực dương làm giảm chất điện phân sẽ tiêu thụ một phần lithium hoạt động, và một lượng lớn sản phẩm sẽ lắng đọng trên cực dương. Các thành phần vô cơ trong cặn cản trở sự khuếch tán của các ion lithium, làm cho hiệu suất động học phản ứng ở cực dương giảm^{[hai mươi ba]}.

Bảng 2. Danh sách tỷ lệ duy trì và phục hồi công suất

3.Tóm tắt

Trong bài báo này,Bộ giám sát khối lượng sản xuất khí tại chỗ (GVM2200)được sử dụng để mô tả sự thay đổi thể tích và điện áp mạch hở của pin trong quá trình bảo quản ở nhiệt độ cao ở 85°C, có thể được sử dụng để hướng dẫn chúng ta kiểm soát điện áp trong quá trình vận chuyển, bảo quản và làm việc pin. Nó cũng có thể cung cấp hỗ trợ dữ liệu tương ứng để mô phỏng lão hóa nhanh hơn.

4. Tài liệu tham khảo

1. Wang Nianju, Meng Fanhui, Yu Liwei, Chu Jiang, Gao Jinhui, Ảnh hưởng của điện áp đến việc sản xuất khí của pin lithium-ion trong bộ lưu trữ nhiệt độ cao[J], Công nghệ điện, 2020. DOI: 10.3969/j.issn.1002 -087X.2020.07.007.

2. Yao Bin, Teng Guopeng, Liu Xiaomei, Chen Weifeng, Cai Yi.Cơ chế của pin Lithium Iron Phosphate Suy giảm hiệu suất lưu trữ ở nhiệt độ cao[J].Công nghệ năng lượng, 2018, (Số 7).

3. Wei Zhiguo, Cheng Cheng, Yao Wangbing, v.v., Ảnh hưởng của điện áp pin đến hiệu suất lưu trữ ở nhiệt độ cao của pin lithium-ion［J］, Công nghệ cung cấp năng lượng, 2021. DOI: 10.3969/j.issn.1002-087X. 2021.03.006.