Влияние соотношения заряд-разряд на увеличение объема в состоянии покоя

Влияние соотношения заряд-разряд на объемное набухание в состоянии покоя

Литий-ионные аккумуляторы в процессе формирования, обращения, хранения и перезарядки сопровождаются объемным вздутием, в том числе структурным.припухлостьи добыча газаприпухлость. Скорость заряда и разряда определяет скорость реакции удаления лития из элемента, которая также сопровождается разной степенью выделения тепла или осаждения лития. При изучении электрических характеристик элемента исследователи обычно увеличивают определенный период времени в конце заряда или разряда для стабилизации состояния элемента и устранения теплового эффекта или поляризации. Как изменяется объем клетки в состоянии покоя? В этой статье исследуется влияние мультипликатора наприпухлостьсистемы LCO /графит.

Рисунок 1. Различные факторы, влияющие на быструю зарядку литий-ионных аккумуляторов^[1]

² Информация об испытаниях

1. Испытательное оборудование: Монитор объема добычи газа на месте, модель ГВМ2200 , может контролировать температуру от 20 ℃ до 80 ℃, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Монитор объема добычи газа в пласте

2. Параметр теста

2.1 Информация о ячейке показана в таблице 1.

Таблица 1. Информация о ячейке

2.2 Экспериментальные параметры

Четыре экспериментальные группы устанавливаются в соответствии с параметрами, приведенными в Таблице 2 ниже, и выдерживаются в течение 1 часа после каждой зарядки и разрядки. Затем аккумулятор помещают в монитор объема производства газа на месте, регулируют температуру масляной ванны до 25 ℃ и отслеживают изменение объема ячейки в режиме реального времени.

Таблица 2. Параметры заряда и разряда

Интерпретация результата

1. Мониторинг на месте кривой набухания всего процесса ячейки

Кривые зарядки-разрядки и кривые изменения объема для четырех циклов показаны на рисунке 3. Стадия зарядки постоянным током: по мере непрерывного увеличения S ОС объем непрерывно увеличивается, что в основном связано со структурным расширением литий-иона постоянно. встроенный в графит. После входа в стадию постоянного давления и полки объем ячейки начал сокращаться и постепенно достиг стабильности. В стадии разряда постоянным током: с постепенным увеличением Министерство обороны США объем ячейки ячейки продолжает сокращаться, и когда скорость удвоения разряда постепенно становится небольшой, аномальное увеличение начального объема разряда ячейки также постепенно уменьшается. уменьшение. Вступая в полочную стадию после разряда, объем клетки продолжает уменьшаться и со временем стабилизируется. Следующий,

Рисунок 3. Различные токи заряда и разряда и кривая изменения объема электрических элементов

2. Анализ объемного набухания на этапе зарядки полки

Для анализа была выбрана перезаряжаемая полочная часть A каждого круга на рисунке 3, как показано на рисунке 4. Поскольку ток отсечки каждого круга постепенно уменьшается, в соответствии с кривой объема полки, когда нет резюме в первом круг, ток отсечки зарядки 1С. В это время объем постепенно уменьшается со временем хранения и остается неизменным примерно через 1500 с. В последних трех кругах ступень постоянного давления увеличивается. Когда ток отсечки зарядки меньше 0,1C, в начале постоянного давления появляется сокращение объема, а затем, когда полка после зарядки увеличивается, объем практически не меняется. Это показывает, что уменьшение объема и уменьшение тока при постоянном давлении, уменьшение тока, сопровождающееся уменьшением объема,

Рис. 4. Влияние тока отсечки заряда на объем хранения

Для дальнейшего объяснения процесса переноса ионов лития и изменения состояния заряда в процессе заряда постоянным током и постоянным давлением механико-электрохимическая модель используется для изучения распределения концентрации лития, напряжений и деформаций в процессе заряда.

1. Стадия зарядки постоянным током

Во время фазы зарядки постоянным потоком ионы лития постоянно внедряются в графитовый слой, что приводит к структурному набуханию. Поскольку SOC постоянно растет, объем постоянно увеличивается. Когда зарядка постоянным током завершена, концентрация ионов лития в электролите, концентрация лития в частицах отрицательного электрода, деформация и напряжение становятся такими, как показано на рисунке 5. Рисунок 5 (a) показывает, что чем ближе катодная жидкость сбор, тем выше концентрация ионов лития в электролите. Это связано с тем, что положительные/отрицательные частицы вблизи диафрагмы предпочтительно представляют собой литий/литий. В конце заряда постоянным током степень удаления лития/удаления лития частиц вблизи диафрагмы больше, чем у частиц вблизи сборника жидкости. Из фиг. 5 (б), более высокая концентрация лития в отрицательных частицах вблизи диафрагмы. Это связано с тем, что электролит в отрицательной области вдали от диафрагмы имеет большее расстояние диффузии лития, чем отрицательные частицы вблизи диафрагмы, что позволяет ионам лития, достигающим анода, предпочтительно внедряться в частицы, расположенные рядом с диафрагмой.

В частицах отрицательного электрода вблизи диафрагмы концентрация лития в твердой фазе выше, поэтому их деформация также выше, как показано на рис. 5 (в). При этом деформация больше на свободной поверхности частиц, но меньше на поверхности контакта между частицами и между частицами и границей. Это связано с тем, что внедрение ионов лития вызывает объемное набухание частиц. Свободная поверхность частиц расширяется наружу, что приводит к большей деформации. Однако деформация на контактной поверхности меньше из-за ограничений соседних частиц и границ. Рисунок 5 (d) показывает, что распределение напряжения противоположно распределению деформации. Это связано с тем, что свободная поверхность частиц не ограничена и, следовательно, напряжение меньше. Однако, контактная поверхность сильно ограничена и, следовательно, больше напряжения. Максимальное напряжение находится в частицах вблизи диафрагмы.

Средняя деформация частицы отрицательного электрода (имеется в виду среднее значение всего тела частицы в электроде) при зарядке постоянным током показана на рис. отношения, показанные на рисунке 3. После зарядки СС средняя деформация и среднее напряжение достигают максимального значения соответственно.

Рис. 5. Концентрация ионов лития (a) и концентрация лития в твердой фазе частиц графита (b), распределение деформации (c) и напряжения (d) частиц графита в конце 1C-зарядки CC ^[2]

Рис. 6.1. Средняя деформация и среднее напряжение частиц анода при зарядке ССС.^[2]

2. Стадия зарядки постоянным напряжением

После того, как зарядка постоянным током завершена, постоянное напряжение заряжается при напряжении отсечки, пока ток не упадет до тока отсечки. Концентрация ионов лития в электролите и концентрация лития, деформация и напряжение в частицах отрицательного электрода в конце зарядки постоянным давлением показаны на рисунке 7. Рисунок 7 (a) показывает, что концентрация ионов лития в электролите составляет так почти во всех регионах. Сравнение рис. 7 (а) и рис. 5 (а) показывает, что максимальная концентрация ионов лития в электролите в конце зарядки резюме ниже, чем максимальная концентрация ионов лития в конце зарядки СС. Это связано с тем, что ток в конце зарядки CC все еще высок, поэтому большое количество ионов лития все еще выходит из положительного электрода.

Из рисунка 7 (б) видно, что, несмотря на зарядку резюме , концентрация лития в частицах отрицательного электрода в конце зарядки остается неравномерной. Концентрация лития была выше в частицах, близких к диафрагме. Это связано с тем, что ток не упал до 0 в конце зарядки резюме . Однако сравнение между фиг. 7 (б) и рис. 5 (б) видно, что разница концентраций лития в частицах отрицательного электрода в конце заряда резюме значительно ниже, чем разница концентраций лития в конце зарядки CC . Если время зарядки резюме увеличивается, то есть ток отсечки постоянно уменьшается, разница концентраций лития в частицах отрицательного электрода будет продолжать уменьшаться до незначительной степени.

Сравнение рис. 7 (b, c) и 5 ​​(b, c) показывает, что концентрация и деформация лития в частицах отрицательного электрода в конце зарядки резюме более однородны, чем в конце зарядки CC . Это означает, что эффект поляризации ослабляется во время зарядки резюме . Сравнение фиг. 7 (d) и 5 ​​(d) показывает, что напряжение в частицах отрицательного электрода в конце зарядки резюме больше, чем напряжение в конце зарядки CC . В основном это связано с тем, что ионы лития дополнительно внедряются в частицы во время процесса зарядки резюме .

На рис. 8 показаны средняя деформация и среднее напряжение частиц отрицательного электрода при зарядке резюме . Можно обнаружить, что они сначала увеличиваются со временем, а затем оба демонстрируют небольшую тенденцию к снижению. В основном это связано с тем, что ионы лития дополнительно внедряются в частицы во время процесса зарядки резюме . Но разница в концентрации лития в частицах становится все меньше и меньше. Следовательно, деформация и напряжение, вызванные разницей концентраций лития, уменьшаются. Результаты моделирования согласуются с экспериментами, показанными на рисунках 3 и 4.

Рис. 7. Концентрация ионов лития (а) и концентрация лития в твердой фазе отрицательных частиц (б), распределение деформации (в) и напряжения (г) в электролите в конце заряда резюме ^[2]

Рис. 8 Средняя деформация и среднее напряжение частиц отрицательного электрода в период заряда резюме ^[2]

3. Анализ объемного набухания разряда и отложенной стадии

Для анализа была выбрана разгруженная полочная часть B каждого контура на рисунке 3, как показано на рисунке 9. С точки зрения кривой объема, по мере снижения скорости разряда изменение объема постепенно уменьшается, а время объема стабильность постепенно укорачивается. Явление уменьшения объема на полочной стадии после разряда аналогично полочной стадии после зарядки, что связано с поляризацией и неравномерным распределением концентрации лития внутри элемента. Анализируется кривая изменения объема, соответствующая разным расходам мультипликатора. Как показано на рисунке 10, на начальной стадии разряда объем клетки аномально увеличивается, и с уменьшением коэффициента разрядки степень набухания также постепенно уменьшается.

Рисунок 9. Влияние разрядного тока на объем хранения

Рис. 10. Влияние тока разряда на общий объем и объем отскока

Согласно результатам моделирования процесса зарядки постоянным током и постоянным напряжением, литий отделяется от частиц отрицательного электрода по мере продолжения процесса разряда. В то же время электрохимический потенциал перемещает литий в электролите, перемещаясь от отрицательного электрода к положительному. Концентрация лития в отрицательных частицах уменьшалась, а в положительных увеличивалась. В направлении толщины электрода также существует проблема неравномерного распределения концентрации лития. Эта разница в концентрации лития связана с толщиной и множителем электрода. Как показано на фиг. 11, в конце разряда толщина электрода относительно мала или коэффициент удвоения относительно мал, и распределение концентрации лития является относительно однородным. Когда толщина электрода или множитель увеличивается, появляется значительная разница концентраций. Для положительного полюса концентрации частиц лития вблизи диафрагмы и вблизи коллектора жидкости низкие. Поэтому с уменьшением скорости разряда разница концентраций лития в пределах батарея становится меньше, а стресс и изменение, вызванное разницей в концентрации, должны быть небольшими. Величина изменения объема также постепенно уменьшается, а время стабильности объема постепенно сокращается. с уменьшением скорости разряда разница в концентрации лития внутри батареи становится меньше, а напряжение и изменение, вызванное разницей в концентрации, должны быть небольшими. Величина изменения объема также постепенно уменьшается, а время стабильности объема постепенно сокращается. с уменьшением скорости разряда разница в концентрации лития внутри батареи становится меньше, а напряжение и изменение, вызванное разницей в концентрации, должны быть небольшими. Величина изменения объема также постепенно уменьшается, а время стабильности объема постепенно сокращается.

ИНЖИР. 11 Распределение концентрации лития в твердой фазе зерна в конце разряда^[3]

Подвести итог

В этой статье используется прибор для мониторинга объема газа на месте (ГВМ2200 ), контролирующий поведение объема ячеек системы LCO / графит с разной скоростью, обнаружено, что процесс объемногоприпухлостьповедение связано не только с поведением встроенного лития, но также связано с распределением концентрации заряда и разряда лития, а также может быть связано с тепловым эффектом ячейки, вызванным током. Следовательно, установка соответствующего тока отсечки заряда может эффективно устранить влияние неравномерного распределения концентрации лития внутри элемента на объем.припухлость. Однако из-за того, что ток процесса разряда обычно велик, соответствующее увеличение времени хранения после разряда необходимо, чтобы ячейка достигла стабильного состояния.

Справочная документация

1. Анна Томашевска, Чжэньюй Чу, Сюнин Фэн и др. Быстрая зарядка литий-ионных аккумуляторов: обзор, Электронный транспорт , 1 (2019) 100011.

2. Факторы, влияющие на напряжение в анодных частицах в процессе зарядки литий-ионного аккумулятора, Журнал из Энергия Хранилище , 43(2021)103214.

3. Хидеки Кикукава, Кохей Хонкура, Мичихиса Кояма. Влияние сопротивления между частицами между активными материалами на разрядные характеристики положительного электрода литий-ионных аккумуляторов, Электрохимика Акта , 278 (2018) 385-395.