Test di invecchiamento ad alta temperatura delle batterie al litio

Test di invecchiamento ad alta temperatura delle batterie al litio

1 Contesto della ricerca

Per rispondere efficacemente ai cambiamenti negativi dell'ambiente e del clima, ridurre le emissioni di gas serra e raggiungere al più presto gli obiettivi del picco di carbonio e della neutralità del carbonio, la struttura energetica si sta rapidamente trasformando. L'elettrificazione delle automobili svolge un ruolo cruciale in questa rivoluzione energetica. Le batterie di potenza sono i principali vettori di stoccaggio dell'energia per i veicoli elettrici, ampiamente utilizzati per i loro vantaggi in termini di energia e durata. Tuttavia, nelle applicazioni reali dei veicoli, lo stato interno della batteria cambia, portando a un declino delle prestazioni della batteria e a una modifica della sua finestra di lavoro sicura.

Le condizioni di utilizzo, in particolare la temperatura, hanno un impatto significativo sulla sicurezza termica delle batterie. Attualmente, le calde temperature estive rappresentano una seria sfida per l'uso sicuro delle batterie. I veicoli elettrici esposti al sole cocente registrano temperature estremamente elevate durante la ricarica, con gravi ripercussioni sull'uso sicuro delle batterie. Questo lavoro esplora l'evoluzione della sicurezza termica delle batterie ternarie agli ioni di litio ad alto tenore di nichel, ampiamente utilizzate in condizioni di utilizzo ad alta temperatura, rivelando la legge di evoluzione della sicurezza termica delle batterie agli ioni di litio.

2 Contenuti della ricerca

È stato condotto uno studio sulla sicurezza termica delle batterie agli ioni di litio soft pack NMC631 durante l'invecchiamento ciclico ad alta temperatura. Sono stati condotti test adiabatici di generazione del calore di scarica, test adiabatici di fuga termica e test adiabatici di sovraccarico quando l'SOH della batteria è sceso rispettivamente al 100%, 90% e 80%. L'impatto dell'invecchiamento ad alta temperatura sulle prestazioni di sicurezza termica della batteria è stato analizzato da più punti di vista.

3 Risultati della ricerca

(1) prestazioni elettronico-chimiche

Durante il processo di invecchiamento ad alta temperatura, la batteria presenta un modello di decadimento approssimativamente lineare nelle prime fasi di invecchiamento. Tuttavia, con l'aumentare del numero di cicli, l'SOH della batteria accelera il suo decadimento. Allo stesso tempo, anche lo spettro di impedenza della batteria subisce cambiamenti significativi con l'invecchiamento. Con l'aumentare del grado di invecchiamento, lo spettro di impedenza si sposta gradualmente verso destra e l'impedenza ohmica aumenta progressivamente.

Inoltre, a causa del continuo verificarsi di reazioni collaterali all'interfaccia elettrodo-elettrolita durante il processo di invecchiamento ad alta temperatura, anche l'impedenza della maschera facciale e l'impedenza di trasferimento del carico dell'interfaccia della batteria sono aumentate rapidamente, evidenziando un aumento significativo tra gli archi delle parti a media e alta frequenza. Inoltre, con la dissoluzione dei metalli di transizione e i cambiamenti nella struttura del catodo, la diffusione degli ioni di litio all'interno dell'elettrodo diventa difficile e anche l'impedenza di Weber aumenta significativamente.

(2) Caratteristiche di generazione del calore di scarica adiabatica

Durante il processo di invecchiamento ciclico ad alta temperatura, si verifica una continua degradazione interna della batteria, come la continua decomposizione dell'elettrolita e l'ispessimento del film SEI. Queste degradazioni causano un continuo aumento dell'impedenza della batteria, che porta a una variazione del tasso di aumento della temperatura durante la scarica adiabatica della batteria.

A causa della leggera degradazione all'interno della batteria durante la fase iniziale dell'invecchiamento ciclico ad alta temperatura, il tasso di aumento della temperatura della batteria non varia in modo significativo durante l'intero processo di scarica. A questo punto, la capacità gioca un ruolo fondamentale e il decadimento della capacità porta a una diminuzione dell'aumento della temperatura durante il processo di scarica. Dopo un invecchiamento profondo della batteria, si verifica un grave degrado all'interno della batteria, con conseguente aumento significativo del tasso di aumento della temperatura durante la scarica adiabatica.

A questo punto, il tasso di aumento della temperatura gioca un ruolo fondamentale: sebbene la capacità della batteria diminuisca, l'aumento complessivo della temperatura aumenta in modo significativo. Pertanto, con la diminuzione della capacità della batteria, l'aumento della temperatura della batteria durante la scarica adiabatica mostra una tendenza prima a diminuire e poi ad aumentare.

(3) Caratteristiche della fuga termica adiabatica

Le temperature caratteristiche della fuga termica della batteria comprendono la temperatura iniziale del calore autogenerato T1, la temperatura di innesco della fuga termica T2 e la temperatura massima T3. Con l'aumentare del grado di invecchiamento della batteria, T1 e T2 diminuiscono continuamente, indicando che l'invecchiamento ad alta temperatura riduce la stabilità termica della batteria. La diminuzione di T1 è dovuta principalmente al fatto che l'alta temperatura modifica la composizione della membrana SEI, che a sua volta porta a una diminuzione della sua stabilità termica;

E T2 è dovuto principalmente alla diminuzione della stabilità termica dei sistemi di reazione dell'anodo e del catodo. Inoltre, è stata condotta un'ulteriore analisi di adattamento dell'energia di attivazione sulla fase T1-T2 e i risultati dell'adattamento hanno mostrato che l'energia di attivazione della batteria è diminuita significativamente con l'invecchiamento in questo intervallo di temperatura, indicando ulteriormente che l'invecchiamento ad alta temperatura ha portato al deterioramento della stabilità termica della batteria.

Inoltre, con l'aumentare del grado di invecchiamento, la temperatura massima e il tasso di aumento della temperatura massima della fuga termica della batteria diminuiscono. Inoltre, si osserva un plateau esotermico sulla curva del tasso di aumento della temperatura. Con l'avanzare dell'invecchiamento, la lunghezza della piattaforma esotermica si riduce gradualmente. Questi fenomeni indicano che il rischio di fuga termica diminuisce gradualmente con l'invecchiamento della batteria. Ciò è dovuto principalmente al continuo consumo di sostanze attive all'interno della batteria durante il processo di invecchiamento ciclico ad alta temperatura, come la perdita di litio attivo e il consumo di elettrolita.

Ciò riduce la partecipazione a reazioni chimiche violente durante il processo di grave fuga termica, con conseguente diminuzione dell'energia rilasciata, dell'intensità della reazione, della temperatura massima e del tasso massimo di aumento della temperatura e della durata della piattaforma di rilascio del calore.

(4) Caratteristiche di runaway termico della sovralimentazione adiabatica

Per quanto riguarda il processo di fuga termica dovuto alla sovraccarica, il calore generato dalle batterie invecchiate durante questo processo è inferiore a quello delle batterie fresche. Per quanto riguarda il calore totale generato dalla sovraccarica e dal runaway, il calore della reazione chimica e il calore del cortocircuito interno sono le principali fonti di calore. Con il progredire dell'invecchiamento, questa parte di calore diminuisce. A causa dell'aumento dell'impedenza della batteria durante l'invecchiamento ad alta temperatura, il tempo di sovraccarica a Vip è simile.

Pertanto, si può notare che il calore ohmico e il calore reversibile delle batterie invecchiate sono superiori a quelli delle batterie fresche. Per l'innesco del runaway termico delle batterie invecchiate è necessaria una minore energia, quindi il calore di reazione laterale è minore durante questo processo. Pertanto, con l'invecchiamento della batteria, il tasso di contributo del calore di reazione laterale diminuisce a causa dell'innesco della fuga termica.