Hiệu quả sạc/xả và độ dày phồng của mô hình Đánh giá hiệu suất tế bào tiền xu

Pin lithium-ion đã được sử dụng rộng rãi trong mọi khía cạnh của cuộc sống, chẳng hạn như điện thoại di động, ô tô hoặc bộ lưu trữ năng lượng gia đình, v.v. Do đó, điều đặc biệt quan trọng là phải đánh giá các hiệu suất khác nhau của pin lithium-ion. Chúng tôi biết rằng pin lithium sẽ giãn ra hoặc co lại trong quá trình sạc và xả, vì vậy khi thiết kế các mô-đun pin lithium, thông số độ phồng là một trong những thông số quan trọng phải được xem xét. Ngoài ra, với sự xuất hiện của một thế hệ điện cực âm mới có công suất riêng cao (chẳng hạn như điện cực âm gốc silicon hoặc điện cực âm kim loại lithium), độ phồng cấu trúc của chúng rõ ràng hơn nhiều so vớitruyền thốngđiện cực âm than chì^[1,2]Do đó, ngày càng có nhiều công ty tập trung vào việc đánh giáhiệu suất sưng của pin lithium.

Thông thường, các nhà nghiên cứu phải chuẩn bị điện cực thành pin thành phẩm một lớp hoặc nhiều lớp để đánh giá độ phồng. Phương pháp này có chu kỳ thử nghiệm dài, hiệu quả đánh giá thấp và tiêu tốn nhiều tài nguyên, ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình phát triển vật liệu mới. IEST gần đây đã sử dụng một cách sáng tạo tế bào đồng xu mô hình để đánh giá hành vi phồng của điện cực pin, giúp rút ngắn đáng kể chu kỳ đánh giá hiệu suất phồng của vật liệu và có thể tiết kiệm rất nhiều nhân lực và vật lực để chuẩn bị pin cho các trường đại học hoặc doanh nghiệp. Đối với mẫu pin đồng xu này, người dùng quan tâm nhất là liệu hiệu suất chu kỳ của nó có tương đương với hiệu suất của bộ pin vỏ thép truyền thống hay không, và liệu sự thay đổi độ dày phồng được đo bằng pin dạng đồng xu mẫu có thể so sánh được với sự thay đổi của pin thành phẩm hay không. Đối với mối quan tâm này, bài viết này cung cấp dữ liệu so sánh tương ứng dựa trên hai khía cạnh này, thuận tiện cho người dùng đánh giá và lựa chọn.

1. Điều kiện thử nghiệm

1.1 Thiết bị kiểm tra: Bài viết này sử dụng mẫu pin cúc áo của IEST và hợp tác với hệ thống sàng lọc nhanh tại chỗ sưng điện cực âm dựa trên silicon (RSS1400, IEST) để thực hiện thử nghiệm sạc và xả cũng như thử nghiệm độ phồng của pin dạng đồng xu và pin dạng túi hiện đại.

Hình 1. Hệ thống sàng lọc nhanh tại chỗ sưng anot dựa trên silicon (RSS1400)

1.2 Điều kiện kiểm tra nạp và xả

①Sử dụngMô hình pin đồng xu của IESTđể lắp ráp pin nửa tế bào đồng xu NCM//Li và pin đầy tế bào đồng xu NCM//SiC, đồng thời thực hiện sạc và xả 3 chu kỳ ở tốc độ 01C, thuận tiện cho việc so sánh sau này giữa pin cúc áo vỏ thép thương mại và Hiệu suất của pin xếp chồng tế bào túi một lớp.

②Sử dụng vỏ thép 2032 thương mại để lắp nửa pin cúc áo NCM//Li, đồng thời thực hiện 3 vòng sạc và xả theo chu kỳ với tốc độ 01C.

③ Lắp pin nhiều lớp tế bào túi một lớp NCM//SiC và thực hiện 3 chu kỳ sạc và xả với tốc độ 01C.

1.3 Điều kiện kiểm tra độ phồng của tế bào

Mẫu NCM//SiC Pin đầy đủ dạng nút và pin nhiều lớp tế bào dạng túi một lớp được đặt trong hệ thống sàng lọc nhanh tại chỗ phồng anot dựa trên silicon (RSS1400, IEST). Sau khi áp dụng tải trước ban đầu là 5 kg, sự thay đổi độ dày phồng của cả hai được theo dõi theo thời gian thực trong quá trình sạc và xả của 01C.

2. Phân tích kết quả

2.1So sánh hiệu quả sạc và xả giữa pin dạng đồng xu mẫu IEST và pin dạng đồng xu vỏ thép thương mại 2032. 

Hình bên trái của Hình 2 là ô tiền xu mô hình IEST và hình bên phải là ô tiền xu vỏ thép 2032 thương mại. Chúng tôi đã sử dụng các điện cực dương bộ ba có cùng kích thước và thành phần để lắp ráp một cặp nửa tế bào đồng xu tấm lithium và so sánh hiệu suất Coulombic của cả hai ở tốc độ sạc và xả 01C, kết quả được thể hiện trong Bảng 1. Nó có thể là Nhìn từ hình cho thấy hiệu quả đầu tiên của ô đồng xu mô hình là khoảng 89,13%, chỉ thấp hơn khoảng 0,718% so với ô đồng xu thép thương mại, hiệu suất chu kỳ tối đa của vòng thứ hai và thứ ba chỉ thấp hơn khoảng 1,28% của nút vỏ thép thương mại. Ngoài ra, hiệu suất chu kỳ tối đa COV của nút mô hình và nút vỏ thép trong ba chu kỳ chỉ là 0,65% (trong đó COV=độ lệch chuẩn/trung bình*100, nói chung, nếu COV<5%,

Hình 2. Hình bên trái là nút mô hình của IEST; hình bên phải là nút vỏ thép 2032 thương mại.

Bảng 1. So sánh hiệu suất chu trình giữa nửa tế bào nút mô hình NCM//Li và nút vỏ thép thương mại

2.2 So sánh cácsưng tấyđộ dày của pin dạng đồng xu và pin túi kiểu IEST

Hình bên trái của Hình 3 là pin dạng đồng xu kiểu IEST và hình bên phải là pin nhiều lớp dạng túi một lớp. Cả hai sử dụng cùng một thành phần của điện cực dương ternary và điện cực âm silicon carbon để lắp ráp một cục pin đầy đủ và theo dõi sự thay đổi độ dày phồng của cả hai trong quá trình sạc và xả 01C trong thời gian thực. Đường cong điện áp và đường cong sưng độ dày của cả hai được thể hiện trong Hình 4, hiệu suất cụ thể của chu kỳ pin đầy đủ và so sánh độ dày sưng được thể hiện tương ứng trong Bảng 2 và Bảng 3. Có thể thấy từ Hình 4 rằng, cho dù đó là đường cong điện áp trong quá trình sạc và xả hay đường cong độ dày, pin dạng đồng xu mẫu và pin nhiều lớp dạng túi đều cho thấy sự nhất quán tốt. Có thể thấy từ Bảng 2 rằng, hiệu suất đầu tiên của pin dạng đồng xu mô hình và pin nhiều lớp dạng túi lần lượt là 41,82% và 42,42% và hiệu suất chu kỳ của hai chu kỳ cuối chỉ chênh lệch 0,12%; Tuy nhiên, có thể thấy từ Bảng 3 rằng tốc độ trương nở độ dày COV của hai vòng tròn cũng nằm trong khoảng 3,5%, cho thấy tốc độ trương nở độ dày của hai vòng tròn cũng có tính nhất quán tốt.

Hình 3. Hình bên trái là pin nút kiểu IEST; hình bên phải là pin nhiều lớp túi một lớp.

Hình 4. Các đường chấm và liền màu xanh lam lần lượt là đường cong điện áp và đường cong độ phồng của nút mô hình;

Các đường chấm và liền màu cam là đường cong điện áp và độ dàysưng tấyđường cong của pin nhiều lớp túi một lớp tương ứng.

Bảng 2. So sánh hiệu suất chu kỳ giữa pin đầy kiểu nút mô hình NCM//SiC và pin laminate dạng túi một lớp

Bảng 3. So sánh độ dày phồng của pin đầy nút mô hình NCM//SiC và pin laminate dạng túi một lớp

3. Tóm tắt

Bài viết này đánh giá hiệu suất sạc và xả và độ dày phồng của tế bào tiền xu mô hình IEST. Từ kết quả có thể thấy rằng hiệu quả sạc và xả theo chu kỳ của pin đồng xu mô hình về cơ bản giống như của pin đồng xu vỏ thép 2032 thương mại, tốc độ trương nở độ dày trong chu kỳ 3 chu kỳ về cơ bản cũng phù hợp với kết quả thử nghiệm của pin nhiều lớp tế bào dạng túi một lớp, cho thấy rằng pin dạng đồng xu kiểu IEST có hiệu suất phóng điện theo chu kỳ tốt và hiệu quả đánh giá độ phồng. Bài viết này khuyến nghị sử dụng hệ thống C sàng lọc nhanh sưng điện cực âm tại chỗ dựa trên silicon (RSS1400, IEST) để sử dụng với kiểu máy này và độ chính xác của thử nghiệm độ phồng độ dày của nó là 0,1 μm, độ phân giải có thể đạt tới 0,01μm,

4. Tài liệu tham khảo

[1] J. Lin, L. Wang, QS Xie, Q. Luo, DL Peng, CB Mullins và A. Heller, Sự thụ động giống như thép không gỉ truyền cảm hứng cho cực dương silicon bền bỉ cho pin lithium-Ion. Angew. hóa học. 135 (2023) e202216557.

[2] M. Ashuri, QR He và LL Shaw, Silicon như một vật liệu cực dương tiềm năng cho pin Li-ion: vấn đề về kích thước, hình học và cấu trúc. Kích thước nano 8 (2016) 74–103.