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Test di temperatura della batteria agli ioni di litio

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Test di temperatura della batteria agli ioni di litio

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Le batterie al litio, in particolare quelle agli ioni di litio, sono state ampiamente utilizzate in vari settori. Sebbene le batterie agli ioni di litio si siano sviluppate rapidamente e siano ampiamente utilizzate, se dovessero sorgere problemi di sicurezza, le conseguenze sarebbero molto gravi. Le prime batterie al litio utilizzavano il litio metallico nell'elettrodo negativo, che era soggetto a dendriti di litio e persino alla corrosione durante la carica. Ciò riduceva significativamente il tempo di ciclo e la durata della batteria e, nei casi più gravi, poteva addirittura portare a cortocircuiti o esplosioni.

La ricerca della letteratura brevettuale sulle batterie al litio online e l'analisi degli indicatori tecnici rilevanti delle batterie al litio dal punto di vista metrologico mostrano che il volume di applicazioni nel campo delle batterie al litio ha mostrato una rapida tendenza alla crescita negli ultimi anni.

Questo articolo ha ottenuto i parametri caratteristici di base delle batterie al litio attraverso test sperimentali di base e ha stabilito un modello elettrochimico delle batterie al litio utilizzando il software di simulazione numerica Comsol, verificando l'accuratezza del modello. Su questa base, in combinazione con alcune equazioni elettrochimiche, sono state analizzate le variazioni di tensione delle batterie al litio in diversi ambienti attraverso la simulazione.

Lo scopo principale della ricerca e il contenuto di questo articolo è analizzare l'influenza della temperatura e del raggio delle particelle dell'elettrodo negativo sulle prestazioni di carica e scarica delle batterie al litio. Utilizzando il software di modellazione Comsol, è stata studiata l'influenza della temperatura e del raggio delle particelle dell'elettrodo negativo sulle prestazioni di carica e scarica delle batterie al litio, utilizzando il metodo delle variabili di controllo, mantenendo costanti le altre variabili.

1 Principio di funzionamento delle batterie al litio

Quando la batteria viene caricata, gli ioni di litio vengono generati sull'elettrodo positivo e si spostano attraverso l'elettrolita verso l'elettrodo negativo. La struttura formata dal carbonio nell'elettrodo negativo ha molti pori e gli ioni di litio che raggiungono l'elettrodo negativo vengono incorporati nei micropori dello strato di carbonio. La capacità di carica è correlata positivamente al numero di ioni di litio incorporati.

Quando la batteria si scarica, gli ioni di litio incorporati nello strato di carbonio del catodo escono, entrano nell'elettrolita, penetrano nel film polimerico e infine si incorporano nel materiale attivo dell'elettrodo positivo. Infine, più ioni di litio ritornano all'elettrodo positivo, maggiore è la capacità di scarica. In realtà, il processo di scarica si ottiene attraverso il comportamento di deinking e embedding degli ioni di litio nei materiali attivi bipolari. Pertanto, la capacità della batteria viene solitamente indicata come "capacità di scarica".

2 L'influenza della temperatura

A causa dell'influenza della temperatura esterna sulle caratteristiche di carica e scarica delle batterie al litio, viene utilizzata come variabile per osservare la tensione di scarica della stessa batteria a diverse temperature, al fine di determinarne le prestazioni e misurarne la capacità operativa.

Per due curve, si è riscontrato che al variare della temperatura da 300 K a 500 K, la tensione nel punto più alto è aumentata di circa 0,1 V, mentre quella nel punto più basso è diminuita di circa 0,1 V. Un'ulteriore osservazione e confronto delle curve ha rivelato che durante la fase iniziale di scarica, la tensione della batteria al litio è diminuita rapidamente e la pendenza della curva di tensione è diminuita; al termine della scarica, la curva di tensione diminuisce bruscamente e alla fine scende alla tensione di cut-off.

Dall'analisi è emerso che la curva di tensione della scarica della batteria subisce variazioni significative a diverse temperature. A parità di altre condizioni, al diminuire della temperatura, la tensione di scarica iniziale diminuisce e il tempo di scarica si accorcia. Pertanto, la tensione cala bruscamente nella fase iniziale della scarica, poi diminuisce lentamente e, a causa dell'aumento della resistenza interna, la temperatura interna aumenta con la scarica, con conseguente aumento della conduttività ionica dell'elettrolita.

Al termine della scarica, la tensione diminuisce bruscamente perché la concentrazione di reagenti negativi diminuisce e la quantità di ioni di litio incorporati nella struttura dell'elettrodo positivo aumenta, portando alla fine della reazione. Al diminuire della temperatura ambiente, la velocità di diminuzione della tensione aumenta. Quando una batteria al litio si scarica, gli ioni di litio sono incorporati nel catodo.

Più ioni di litio sono incorporati, più cariche vengono rilasciate e la tensione diminuisce di conseguenza. Allo stesso modo, durante il processo di carica, più ioni di litio vengono rimossi dall'anodo, più carica viene rilasciata e la tensione aumenta di conseguenza. Tuttavia, quando la temperatura continua a diminuire e la viscosità dell'elettrolita continua ad aumentare, la migrazione degli ioni di litio diventa molto difficile, portando a una graduale diminuzione della quantità di migrazione.

3 L'influenza della dimensione del raggio delle particelle dell'elettrodo negativo

A una certa temperatura, dalle variazioni della tensione della batteria e della densità di corrente applicata alla batteria si evince che, in condizioni di temperatura di 300 K, le batterie agli ioni di litio presentano la seguente caratteristica: la pendenza della curva di tensione è elevata nella fase di scarica iniziale e la variazione della pendenza è lenta. Infine, scende alla tensione di taglio a una velocità fissa e poi cambia improvvisamente.

Al termine della scarica, la pendenza della caduta di tensione prima aumenta e poi diminuisce. Durante il processo di scarica, gli ioni di litio vengono incorporati nell'elettrodo negativo, rilasciando più carica e causando una diminuzione della tensione. Al contrario, durante la carica, gli ioni di litio positivi vengono incorporati, causando un aumento della tensione.

Analizzando i dati relativi ai diversi raggi delle particelle dell'elettrodo negativo, si può concludere che, al diminuire del raggio delle particelle dell'elettrodo negativo, quando la densità di corrente dell'unità di batteria utilizzata è uguale e vicina allo zero, più piccolo è il raggio delle particelle dell'elettrodo negativo, più bassa è la tensione della batteria e minore è lo stress interno della batteria. Pertanto, la durata della batteria è maggiore rispetto alle batterie con particelle di elettrodi negativi più grandi.

4 Conclusioni

Utilizzando un software di modellazione appropriato, le prestazioni di carica e scarica delle batterie agli ioni di litio possono essere studiate in modo dettagliato e accurato dal macro al micro, dagli esperimenti ai modelli. Questo articolo parte dalla reazione elettrochimica delle batterie agli ioni di litio e trae le seguenti conclusioni:

(1) La temperatura può influenzare le sostanze attive interne e la viscosità dell'elettrolita delle batterie agli ioni di litio, alterando così l'efficienza della carica e della scarica.

(2) La dimensione del raggio delle particelle dell'elettrodo negativo influisce sul debonding tra le particelle e l'elettrodo negativo, influenzando ulteriormente l'efficienza della conduttività e, in ultima analisi, l'efficienza di carica e scarica.