Batteria agli ioni di litio Test di ciclaggio a bassa temperatura e ad alta velocità

Batteria agli ioni di litio Test di ciclaggio a bassa temperatura e ad alta velocità

Con la rapida espansione del mercato dei veicoli elettrici, i problemi legati a questi ultimi stanno diventando sempre più evidenti. Uno dei problemi più gravi è il lungo tempo di ricarica, per cui la richiesta di una ricarica rapida sta diventando sempre più urgente. Inoltre, per soddisfare le esigenze di alcune regioni fredde, le prestazioni a bassa temperatura delle batterie sono altrettanto preoccupanti. Pertanto, la domanda di ricarica rapida a basse temperature è in costante aumento. Tuttavia, sia che si tratti di ricarica rapida o di lavoro a basse temperature, la capacità della batteria si degrada rapidamente. È quindi urgente studiare l'impatto della carica rapida a bassa temperatura sul degrado delle batterie per risolvere questo problema.

Test

Le condizioni di prova delle prestazioni della batteria sono: a -25°C, carica e scarica a una velocità di 2 C secondo il sistema di carica e scarica a corrente costante e tensione costante (CC-CV), registrazione della capacità effettiva ogni 10 cicli ed esecuzione di un test caratteristico di potenza a impulsi misti (HPPC). Lo scopo del test HPPC è quello di determinare la resistenza interna della batteria. Le variazioni della capacità e della resistenza interna della batteria durante i cicli di lunga durata sono mostrate nella Figura 1.

All'inizio del ciclo, la capacità a bassa temperatura della batteria decade rapidamente, ma nei cicli successivi il decadimento della batteria rallenta in una certa misura. Inoltre, misurando la capacità standard della batteria a temperatura ambiente, è emerso che la capacità della batteria è stata parzialmente ripristinata e il tasso di recupero è aumentato gradualmente con l'aumentare del numero di cicli. Può raggiungere l'80-90% dopo 200 cicli. La resistenza interna della batteria mostra una tendenza opposta. Nella fase iniziale del ciclo, la resistenza interna aumenta linearmente e rapidamente, ma lentamente dopo 200 cicli.

Figura 1 Diagramma della relazione tra capacità della batteria e numero di cicli.

C_25 °C: la capacità di scarica effettiva misurata ogni 10 cicli a -25 °C;

C_23 °C: la capacità standard misurata nel terzo ciclo a temperatura ambiente a 23 °C;

R_d: Impedenza di scarica a impulsi;

R_C: Impedenza di carica a impulsi

La Figura 2 mostra la proporzione tra la capacità di scarica a corrente costante e la capacità di scarica totale a basse temperature (nel sistema CC-CV a bassa temperatura, il processo di scarica comprende la scarica a corrente costante e la scarica a tensione costante). Si può notare che la capacità di scarica a corrente costante diminuisce gradualmente e si verifica un brusco calo a circa 120 cicli, rappresentando solo il 15% della capacità di scarica totale.

Figura 2 Capacità di scarica CC e suo rapporto rispetto alla capacità di scarica totale del ciclo (C_cc: capacità di scarica CC; rapporto C_cc: La proporzione della capacità di scarica CC rispetto alla capacità di scarica totale)

Come si può notare da quanto sopra, 120 cicli sono un punto critico. Pertanto, la batteria dopo 120 cicli e cicli lunghi (250 cicli) è stata smontata e analizzata. Come mostrato nella Figura 3, le particelle di litio-metallo bianco-argento coprono quasi interamente l'elettrodo negativo e la loro distribuzione è irregolare, con un numero maggiore ai bordi, il che è legato alla distribuzione irregolare della corrente e alla generazione di calore. La Figura 4 mostra l'immagine SEM dell'elettrodo, da cui si evince che con l'aumentare del numero di cicli di carica e scarica, aumenta gradualmente anche il numero di dendriti di litio, rendendo meno visibili le particelle di grafite. Ciò indica che la precipitazione del litio è la ragione principale del fallimento della batteria in condizioni di bassa temperatura e alta velocità. Inoltre, indica anche che il litio si deposita preferenzialmente sul bordo dell'elettrodo.

Figura 3 L'elettrodo negativo dopo diversi cicli

Figura 4 Immagini SEM della superficie dell'elettrodo negativo dopo diversi cicli (A, a; D, d): 0 giri; (B, b; E, e): 120 giri; (C, c; F, f): 250 giri (A-C): Bordo; (D-F): Centro (a - f): L'immagine ingrandita corrispondente di (A - F)

Per studiare il processo di evoluzione della deposizione di litio, è stato analizzato il profilo dell'elettrodo negativo, come mostrato nella Figura 5. La deposizione di litio metallico è molto irregolare e lo strato di deposizione sul bordo è significativamente più spesso. La deposizione di litio metallico è molto irregolare e lo strato di deposizione sul bordo è significativamente più spesso. Dopo 120 cicli, lo spessore dello strato ai bordi è di 15 µ m, mentre quello dell'area centrale è di soli 7 µ m. Con l'aumentare del numero di cicli, lo strato di litio metallico depositato diventa più spesso. Successivamente, è stata condotta un'analisi XPS sulla superficie dell'elettrodo negativo.

Non è stato possibile rilevare la presenza di carburi sulla superficie dell'elettrodo, indicando che la superficie di grafite è stata completamente coperta da altre sostanze. La grande quantità di composti di litio rilevati erano componenti SEI prodotti dalla reazione tra litio metallico ed elettrolita. Dopo l'incisione profonda dell'elettrodo negativo, è stata scoperta la presenza di litio elementare, dimostrando ancora una volta che il litio metallico è una delle cause del fallimento della batteria.

Figura 5 Immagini SEM delle sezioni trasversali dell'elettrodo negativo dopo diversi cicli (A-C) Bordo; (D-F): Centro (a - f): L'immagine ingrandita corrispondente di (A - F)

Conclusioni

Questo lavoro approfondisce il meccanismo di degrado della capacità delle batterie agli ioni di litio in condizioni di bassa temperatura e alta velocità. In queste condizioni operative, la batteria presenta alcuni fenomeni particolari, come un forte calo della capacità di scarica a corrente costante durante il ciclo intermedio, una capacità di carica inferiore alla capacità di scarica e il recupero della capacità della batteria. I risultati della ricerca rivelano che il deposito di litio è la causa principale di questi comportamenti caratteristici e del problema del guasto della batteria.

La manifestazione specifica è che il deposito di litio aumenta la resistenza interna della batteria, con conseguente diminuzione della capacità di scarica della batteria. Allo stesso tempo, la diminuzione della conducibilità dell'elettrolita, la reazione dell'elettrodo e la diffusione degli ioni in fase solida aumentano ulteriormente la resistenza interna della batteria, provocando una forte diminuzione della capacità della batteria. Tuttavia, a causa della natura attiva del litio metallico depositato, esso può ancora dissolversi e tornare all'elettrodo positivo durante la scarica, ottenendo una capacità di scarica superiore alla capacità di carica. Inoltre, quando la temperatura ambiente aumenta, può ancora essere incorporato nell'elettrodo negativo di grafite, causando il recupero della capacità.