1 Experiment
1.1 Príprava batérie
Zmiešajte kladnú elektródu DY{{0}} fosforečnan lítno-železitý, vodivé činidlo Super P a spojivo PVDF5130 v hmotnostnom pomere 94,0:2,5:3,5, pridajte rozpúšťadlo NMP a miešajte 5 hodín, aby sa získala suspenzia s obsahom pevných látok (60,0 ± 1,5) % a viskozitou 8000 mPa.s. Kašu naneste na 16 μm hrubú hliníkovú fóliu s plošnou hustotou (330 ± 3) g/m2. Po vákuovom pečení pri 85 stupňoch po dobu 12 hodín stláčajte elektródu valcovaním na hustotu 2,20 g/cm3 a získajte kladnú elektródu s rozmermi 124 mm × 121 mm.
Zmiešajte negatívny grafit, vodivé sadze Super P a akrylonitril LA133 v hmotnostnom pomere 95,5:1.0:3,5, pripravte kašu s použitím deionizovanej vody ako rozpúšťadla a naneste ju na 8 μm hrubú vrstvu medená fólia s plošnou hmotnosťou (160 ± 2) g/m2. Vysušte a zrolujte ju ako pozitívnu elektródu, aby ste dosiahli hustotu zhutnenia 1,45 g/cm3 a získali negatívnu elektródovú dosku s veľkosťou 130 mm × 127 mm.
Po zložení kladných a záporných elektród na seba bola pripravená lítium-iónová plná batéria LFP 36130145 s hliníkovým plášťom s menovitou kapacitou 60Ah ich zapuzdrením do hliníkového krytu. Po pečení pri 85 stupňoch počas 12 hodín sa vstrekol elektrolyt. Pripravená batéria prechádza chemickou transformáciou a delením kapacity. Kroky formovania: Nabíjajte pri 0,05 C počas 80 minút, potom nabíjajte pri 0,10 C počas 150 minút, s maximálnym nabíjacím napätím 3,65 V. Krok rozdelenia kapacity: Nechajte ho pri 45 stupňoch 12 hodín starnúť, potom ho vybite pri 0,20 C s dolným limitným napätím 2,50 V.
1.2 Morfológia a analýza štruktúry
Pozorujte mikroštruktúru materiálu pomocou rastrovacieho elektrónového mikroskopu. Na analýzu štrukturálnych zmien materiálov použite röntgenový difraktometer.
1.3 Testovanie elektrochemických vlastností
Otestujte EIS batérie pomocou elektrochemickej pracovnej stanice. Na testovanie výkonu batérie použite vysoko presný tester batérie s rozsahom 5 V a 100~50{{10}}A. Bežná metóda testovania kapacity: Nabíjajte konštantným prúdom 1.{13}}C až 3,65 V, potom prepnite na konštantné napätie a nabíjajte, kým sa nedosiahne 0,05 C; Nechajte 0,5 hodiny odležať, vybite pri 1,00 C až 2,50 V, nechajte 0,5 hodiny odležať, 3-krát zacyklujte.
Metóda testovania cyklu batérie: Nabíjajte pri konštantnom prúde 1.{1}}C až 3,65 V, potom prepnite na nabíjanie s konštantným napätím až do 0.05C. Vybíjajte pri 1.00C, 2.{10}}C a 5.{12}}C až 2,50V, zopakujte cyklus, nechajte ho sedieť {{30}}.5 hodiny v strede, kým sa nezacyklí 1000-krát. Metóda testovania nadmerného vybitia batérie: Referenčná rýchlosť vybíjania je 1.{21}}C pre nabíjanie a 1,00C pre vybíjanie a napätie nadmerného vybíjania je 0-3,65V, 0.20-3,65V, 0.50-3,65V, 0.{31}},65V a 1.50-3,65V, v tomto poradí. Konvenčné napätie je 2,50~3,65V. Na aplikovanie predbežnej uťahovacej sily (1400 ± 200) N na rovinu článku batérie sa použije prípravok; Žiadny prípravok znamená použitie sily predpätia 0 N na článok batérie.
Metóda testovania životnosti batérie: ① Nabíjajte pri 0,50C konštantnom prúde do 3,65 V, prepnite na nabíjanie s konštantným napätím na 0.05C prerušenie , nechajte ho stáť 0,5 h, vybíjajte pri 78{{20}}W až 2,50V, kapacita záznamu 1; 2 odložiť na 0,5 hod., vybiť na uvedené napätie (1,50V, 0,80V, 0,50V) pri 780W, odložiť na uvedenú dobu, nabiť 3,65 V pri 0,10 C konštantnom prúde, prepnite na nabíjanie konštantným napätím až do prerušenia 0,05 C, odložte na 0,5 hodiny a vybite na 2,50 V pri 780 W, zaznamenajte vybíjaciu kapacitu 2; ③ Zopakujte krok 1, zaznamenajte kapacitu vybíjania 3 a zopakujte kroky 1 až 3. Medzi nimi pomer kapacity 2 ku kapacite 1 je miera zadržania a pomer kapacity 3 ku kapacite 1 je rýchlosť obnovy.
2 Výsledky a diskusia
2.1 Výkon cyklu pri rôznych zväčšeniach
Experiment bol vykonaný na batérii používanej v dátovom centre a výkon batérie pri cyklovaní rýchlosti je znázornený na obrázku 1. Z obrázku je možné vidieť, že pri rovnakej rýchlosti nabíjania po 2{{3 }}0 cyklov vybitia pri 2.{5}}C a 5.{9}}C, kapacita sa zníži o 14 % a 20 %. V porovnaní s vybíjacím cyklom 1,00C sa kapacita zníži o 12 %, čo je o 2 a 8 percentuálnych bodov nižšie. Z hľadiska cyklistického výkonu majú batérie charakteristiku cyklovania s dlhou rýchlosťou.
2.2 Charakteristiky výkonu cyklu prebitia v rôznych rozsahoch napätia
Na štúdium charakteristík nadmerného vybitia batérií s hliníkovým plášťom v rôznych rozsahoch napätia sa na batériách vykonali testy nepretržitého cyklovania, pričom premennými boli rozsah napätia a stav batérie počas cyklovania: s prípravkami alebo bez nich. Batérie očíslujte samostatne a zmeny a počiatočný stav batérií nájdete v tabuľke 1. Stav nabitia (SOC) batérií je 30 %. Z počiatočného napätia, vnútorného odporu a hrúbky 12 skupín batérií uvedených v tabuľke 1 pri 30 % SOC je konzistencia experimentálnych batérií dobrá.
Vykonajte nepretržité cyklické testovanie batérie a krivka útlmu je znázornená na obrázku nižšie. Je možné vidieť, že keď batéria nemá žiadne upevnenie, cyklický výkon batérie sa postupne zhoršuje so zvyšujúcim sa stupňom nadmerného vybitia. Keď je vybíjacie napätie batérie 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V a 0V, počet cyklov a zachovanie kapacity batérie je 94,07 % po 1000 cykloch, 80,00 % po 1000 cykloch, 74,93 % po 648 cykloch, 67,72 % po 360 cykloch, 63,26 % po 119 cykloch a 61,85 % po 145 cykloch.
Keď sa spodná hranica napätia zníži o 1.00V (z 2,50V na 1,50}V), miera útlmu sa zvýši o 14 % pri rovnakom počte cyklov; Keď sa spodná hranica napätia zníži o 1,70V (z 2,50 V na 0,80 V), životnosť cyklu je iba 648-krát; A keď sa batéria vybije na 0V, životnosť cyklu klesne na 145-násobok. Pokles spodného limitného napätia vybíjania má významný vplyv na životnosť batérie. Rozšírenie rozsahu nabíjacieho a vybíjacieho napätia batérie môže zvýšiť jej kapacitu, napríklad keď sa napätie zmení z 2,50~3,65V na 0~3,65V. Kapacita batérie sa zvýšila o 4Ah.
Dokonca aj so svietidlami majú batérie rovnaký výkon ako bez svietidiel. Čím nižšie je vybíjacie napätie batérie, tým je životnosť cyklu kratšia. Pri vypínacom napätí 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V a 0V je počet cyklov a miera zachovania batérie je 96,03 % po 1000 cykloch, 86,73 % po 928 cykloch, 84,46 % po 733 cykloch, 81,95 % po 741 cykloch, 61,28 % po 598 cykloch a 60,08 % po 647 cykloch.
2.3 Charakteristiky výkonu cyklu prebitia pri rôznych silách predpätia
Čím hlbší je stupeň nadmerného vybitia batérie s predbežnou uťahovacou silou alebo bez nej, tým horšia je životnosť cyklu. Ďalej preskúmajte vplyv prítomnosti alebo neprítomnosti príslušenstva na výkon batérie. Analýzou údajov porovnajte cyklický výkon batérií s a bez príslušenstva za rovnakých prevádzkových podmienok.
Bez ohľadu na skutočný rozsah cyklického napätia batérie je cyklický výkon batérií s príslušenstvom lepší ako tých bez príslušenstva. Avšak, ako sa spodná hranica vybíjacieho napätia neustále zvyšuje, vplyv svietidiel na výkon batérie postupne klesá. Medzi {{0}}~3,65 V je výdrž batérie s príslušenstvom 647-krát, zatiaľ čo životnosť batérie bez príslušenstva je 145-krát, čo je rozdiel 502-krát; Pri 0.20-3 0,65 V je výdrž batérie s príslušenstvom 598-krát, zatiaľ čo životnosť batérie bez príslušenstva je 119-krát, čo je rozdiel 479-krát; Pri 0.50-3,65 V je miera zachovania kapacity batérie bez príslušenstva 67,72 % po 360 cykloch, zatiaľ čo miera zachovania kapacity batérie s príslušenstvom je 90.00 %; Pri 0.80-3,65 V je miera zachovania kapacity batérie bez príslušenstva 80.00% po 500 cykloch, zatiaľ čo miera zachovania kapacity batérie s príslušenstvom je 92,00 %; Pri 1.{29}},65 V bola miera zachovania kapacity batérie bez príslušenstva 84,55 % po 928 cykloch, zatiaľ čo miera zachovania kapacity batérie s príslušenstvom bola 86,73 %, čo predstavuje nárast o 2,18 percentuálneho bodu pri zachovaní kapacity; Pri 2.50-3,65 V je miera zachovania kapacity batérie bez príslušenstva 94,07 % po 1 000 cykloch, zatiaľ čo miera zachovania kapacity batérie s príslušenstvom je 96,03 %.
Ako sa spodná hranica vybíjacieho napätia zvyšuje, vplyv svietidiel na cyklický výkon batérie postupne slabne, čo sa prejavuje ako zužujúca sa medzera v zachovaní kapacity medzi batériami s a bez príslušenstva. To naznačuje, že efekt zlepšenia svietidiel na výkon batérie je pri vyšších napäťových rozsahoch oslabený.
Testovanie EIS bolo vykonané na batériách (skupiny A, B, C, F, atď.) s a bez príslušenstva v neskorších fázach cyklovania pre niektoré schémy a výsledky sú znázornené na obrázku 3. Počiatočný bod impedančné spektrum polkruh je impedancia rozhrania Rb medzi elektródou a rozhraním elektrolytu; Koncovým bodom polkruhu je impedancia prenosu náboja Rct; Diagonálna čiara predstavuje impedanciu spôsobenú difúziou Li+ vo vnútri častíc aktívneho materiálu, čo je Warburgova impedancia (Dw). Z Rb a Rct: A-1
To tiež potvrdzuje, že vonkajší tlak môže znížiť medzery medzi elektródami a zvýšiť kontaktnú plochu rozhrania. Pri nižšom tlaku sa batéria stlačí a jej hrúbka sa zníži, čo môže znížiť prechodový odpor, skrátiť prenosovú dráhu Li+ a minimalizovať straty aktívneho lítia; Okrem toho môže zabrániť oddeleniu materiálov kladných a záporných elektród spôsobených produkciou plynu počas nízkonapäťového vybíjania, znížiť nevratnú expanziu batérie, zachovať stabilitu kladných a záporných elektród a zlepšiť cyklický výkon batérie. Čím nižšie je spodné medzné napätie vybíjania, tým hlbšia je extrakcia lítia z materiálu zápornej elektródy a tým závažnejšia je produkcia plynu batérie. Prítomnosť príslušenstva môže účinne potlačiť stratu aktivity Li+ spôsobenú produkciou plynu, čím sa zlepší cyklický výkon batérie. To tiež vysvetľuje, prečo s postupným zvyšovaním vybíjacieho napätia sa rozdiel v počte cyklov medzi batériami s a bez príslušenstva zmenšuje a zmenšuje.
Na ďalšie pozorovanie zmien v cyklovaní batérie pri rôznych napätiach bola batéria rozobratá a boli pozorované zmeny v materiáloch kladných a záporných elektród.
Z morfologického hľadiska neexistuje žiadny významný rozdiel medzi materiálmi pozitívnych a negatívnych elektród po cykloch nadmerného vybitia. Záporná elektróda sa javí ako blok, zatiaľ čo kladná elektróda sa javí ako malé častice. Prítomnosť alebo neprítomnosť upínacích prípravkov nemá žiadny vplyv na morfológiu materiálov kladných a záporných elektród. Počas procesu kontinuálneho plytkého nabíjania a hlbokého vybíjania sa môžu parametre základnej bunky materiálu meniť, najmä v prípade materiálov záporných elektród, čo môže mať za následok zmeny v medzivrstvových rozstupoch.
XRD analýza sa uskutočnila na negatívnej elektróde a výsledky sú znázornené na obrázku. Z obrázku je vidieť, že aj keď je batéria cyklovaná v rôznych rozsahoch napätia, materiál zápornej elektródy po cyklovaní je stále grafit a nevznikajú žiadne ďalšie nové látky. V rámci rovnakého napäťového rozsahu sa charakteristické vrcholy záporných elektródových dosiek (002) a (100) batérie bez svorky posúvajú smerom k nižším uhlom, čo naznačuje, že mriežkové parametre grafitu sa zväčšujú a medzirovinná vzdialenosť sa zväčšuje.
To znamená, že v porovnaní s batériami so svietidlami sa grafitový medzivrstvový rozstup batérií bez svietidiel naďalej zvyšuje počas procesu nepretržitého nabíjania a vybíjania. Mikroskopické zmeny v tomto materiáli vedú k závažnejšej degradácii cyklistického výkonu a tiež vysvetľujú, prečo je cyklistický výkon batérií s príslušenstvom výrazne lepší ako výkon batérií bez príslušenstva v rovnakom rozsahu napätia.
2.4 Charakteristiky zmien životnosti kalendára po prebití batérie
Na ďalšie sledovanie zmien kapacity batérie po dlhodobom nadmernom vybití, zachovanie kapacity a obnovenie kapacity batérie po vybití na špecifikované napätie 0,50V, 0,80 V, 1,50 Študovali sa V a 2,50 V po určitú dobu.
Aj keď je batéria skladovaná pri nízkom napätí, nedôjde k degradácii kapacity, čo nemá zásadný vplyv na kapacitu a nespôsobí stratu kapacity v dôsledku nadmerného vybitia. Z metodologického hľadiska je možné batériu po prebití po určitú dobu ponechať a dobiť malým prúdom, aby sa obnovila a zachovala jej kapacita.
3 Záver
Na základe štúdie charakteristík lítium-iónových batérií používaných v dátových centrách sa skúmal vplyv rôznych síl predpätia na nadmerné vybitie. Výsledky ukázali, že:
Aplikovaním dvoch typov uťahovacích síl na batériu so svorkami a bez nich, cyklovaním v šiestich rozsahoch napätia {{0}}~3,65V, 0,20~3,65V , 0,50~3,65V, 0,80~3,65V, 1,50~3,65V a konvenčný rozsah 2,50~3,65V, bez ohľadu na či je tam svorka, čím nižšie je vypínacie napätie batérie, tým rýchlejšie klesá kapacita. V praktických aplikáciách by sa malo čo najviac vyhnúť dlhodobému cyklovaniu nízkeho napätia, aby sa predĺžila životnosť batérie.
Svietidlá môžu zlepšiť cyklický výkon batérií, ale ich účinok sa oslabí, keď sa zvýši vypínacie napätie. Výsledky testov EIS, XRD a ďalších testov ukazujú, že prípravok dokáže zabezpečiť stabilitu aktívnych materiálov kladných a záporných elektród počas cyklovania, zmenšiť medzery medzi elektródami, zväčšiť kontaktnú plochu, znížiť ohmický odpor, skrátiť transportnú dráhu Li+, znížiť aktívne lítium stratu, znížiť nevratné rozšírenie batérie a zlepšiť výkon batérie. Experimentálne výsledky majú smerodajný význam pre návrh zostavy batérie a odporúča sa, aby budúci výskumníci zvážili tesný dizajn zostavy na zlepšenie výkonu batérie.
Po dlhodobom skladovaní v rôznych rozsahoch nad vybíjacieho napätia sa kapacita batérie neznižuje s poklesom vybíjacieho napätia. Malé doplnenie prúdu môže zachovať a obnoviť kapacitu. To poskytuje riešenie problému zníženého výkonu batérie po dlhodobom skladovaní.