1 Preizkus
1.1 Priprava baterije
Zmešajte pozitivno elektrodo DY{{0}} litijev železov fosfat, prevodno sredstvo Super P in vezivo PVDF5130 v masnem razmerju 94,0:2,5:3,5, dodajte topilo NMP in mešajte 5 ure, da dobimo goščo z vsebnostjo trdne snovi (60,0 ± 1,5) % in viskoznostjo 8000mPa · s. Zmes nanesemo na 16 μm debelo aluminijasto folijo s površinsko gostoto (330 ± 3) g/m2. Po 12-urnem vakuumskem pečenju pri 85 stopinjah elektrodo stisnite v zvitke do stisnjene gostote 2,20 g/cm3 in dobite pozitivno elektrodo z velikostjo 124 mm × 121 mm.
Zmešajte negativni grafit, prevodne saje Super P in akrilonitril LA133 v masnem razmerju 95,5:1.0:3,5, pripravite goščo z uporabo deionizirane vode kot topila in jo nanesite na 8 μm debeline bakreno folijo s površinsko gostoto (160 ± 2) g/m2. Posušite in zvaljajte jo kot pozitivno elektrodo, da dosežete stisnjeno gostoto 1,45 g/cm3 in dobite list negativne elektrode z velikostjo 130 mm × 127 mm.
Po zlaganju pozitivnih in negativnih elektrod smo pripravili polno litij-ionsko baterijo LFP 36130145 z aluminijastim ohišjem z nazivno zmogljivostjo 60Ah tako, da smo jih zaprli z aluminijastim pokrovom. Po 12-urnem pečenju pri 85 stopinjah smo vbrizgali elektrolit. Pripravljena baterija je podvržena kemični transformaciji in delitvi kapacitete. Koraki oblikovanja: Polnite pri 0.05C 80 minut, nato polnite pri 0,10C 150 minut, z največjo polnilno napetostjo 3,65 V. Korak delitve zmogljivosti: Pustite ga pri 45 stopinjah 12 ur za staranje, nato ga izpraznite pri 0,20 C z nižjo mejno napetostjo 2,50 V.
1.2 Morfološka in strukturna analiza
Z vrstičnim elektronskim mikroskopom opazujte mikrostrukturo materiala. Z rentgenskim difraktometrom analizirajte strukturne spremembe materialov.
1.3 Preskušanje elektrokemičnih lastnosti
Preizkusite EIS baterije z uporabo elektrokemične delovne postaje. Uporabite visoko natančen preizkuševalec baterij, da preizkusite delovanje baterije z razponom 5 V in 100~50{{10}}A. Običajna metoda testiranja zmogljivosti: polnite s konstantnim tokom 1.00C do 3,65 V, nato preklopite na konstantno napetost in polnite, dokler ne dosežete 0,05 C; Pustite stati 0,5 ure, izpraznite pri 1,00 C do 2,50 V, pustite stati 0,5 ure, 3-krat obrnite.
Metoda preskušanja akumulatorskega cikla: Polnite pri konstantnem toku 1.00C do 3,65 V, nato preklopite na polnjenje s konstantno napetostjo do 0.05C prekinitve. Izpraznite pri 1.00C, 2.{{10}}C in 5.00C do 2,50V, ponovite cikel, pustite sedite {{30}},5 ure na sredini, dokler se ne zasuka 1000-krat. Preizkusna metoda prekomernega praznjenja akumulatorja: referenčna stopnja praznjenja polnjenja je 1.00C za polnjenje in 1,00C za praznjenje, napetosti čezmernega praznjenja pa so 0-3.65V, 0.20-3.65V, 0.50-3.65V, 0.80-3.65V in 1.50-3.65V, oz. Običajna napetost je 2,50~3,65V. Uporablja se vpenjalo za uporabo sile predzategovanja (1400 ± 200) N na ravnino celice baterije; Brez vpenjanja pomeni uporabo sile prednapetosti 0N na baterijsko celico.
Metoda testiranja življenjske dobe baterije: ① Polnite pri 0.50C konstantnem toku na 3,65 V, preklopite na polnjenje s konstantno napetostjo na 0.05C izklop , pustite stati 0.5h, praznjenje pri 78{{20}}W do 2,50V, rekordna zmogljivost 1; ② Odložite za 0,5 ure, napolnite 3,65 V pri 0,50C konstantnem toku, preklopite na polnjenje s konstantno napetostjo do 0,05C izklopa, pustite za 0,5 ure, izpraznite na določeno napetost (1,50 V, 0,80 V, 0,50 V) pri 780 W, pustite za določeno čas, napolnite 3,65 V pri konstantnem toku 0,10 C, preklopite na polnjenje s konstantno napetostjo do izklopa 0,05 C, odložite za 0,5 ure in izpraznite na 2,50 V pri 780 W, zabeležite kapaciteto praznjenja 2; ③ Ponovite korak 1, zabeležite kapaciteto praznjenja 3 in ponovite korake od 1 do 3. Med njimi je razmerje med zmogljivostjo 2 in zmogljivostjo 1 stopnja zadrževanja, razmerje med zmogljivostjo 3 in zmogljivostjo 1 pa je stopnja obnovitve.
2 Rezultati in razprava
2.1 Učinkovitost cikla pri različnih povečavah
Poskus je bil izveden na podlagi baterije, ki se uporablja v podatkovnem centru, zmogljivost ciklične hitrosti baterije pa je prikazana na sliki 1. Iz slike je razvidno, da je pri enaki hitrosti polnjenja po 2{{3 }}0 ciklov praznjenja pri 2.00C in 5.00C se zmogljivost zmanjša za 14% oziroma 20%. V primerjavi s ciklom praznjenja 1,00C se zmogljivost zmanjša za 12 %, kar je za 2 oziroma 8 odstotnih točk manj. Z vidika ciklične zmogljivosti imajo baterije značilnost dolgega cikliranja.
2.2 Značilnosti delovanja cikla prerazelektritve v različnih napetostnih območjih
Za proučevanje značilnosti čezmernega praznjenja akumulatorjev z aluminijastim ohišjem v različnih napetostnih območjih so bili na baterijah opravljeni neprekinjeni ciklični preskusi, pri čemer sta bili spremenljivki obseg napetosti in stanje akumulatorja med cikliranjem: z ali brez vpenjal. Oštevilčite baterije ločeno in si oglejte tabelo 1 za spremembe in začetno stanje baterij. Stanje napolnjenosti (SOC) baterij je 30 %. Glede na začetno napetost, notranji upor in debelino 12 skupin baterij, navedenih v tabeli 1 pri 30 % SOC, je konsistenca eksperimentalnih baterij dobra.
Izvedite neprekinjeno ciklično testiranje baterije in krivulja slabljenja je prikazana na spodnji sliki. Vidimo lahko, da ko baterija nima pritrditve, se ciklična zmogljivost baterije postopoma slabša, ko se stopnja prekomerne izpraznjenosti povečuje. Ko so mejne napetosti praznjenja akumulatorja 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V in 0V, število ciklov in ohranjanje zmogljivosti baterije sta 94,07 % po 1000 ciklih, 80,00 % po 1000 ciklih, 74,93 % po 648 ciklih, 67,72 % po 360 ciklih, 63,26 % po 119 ciklih oziroma 61,85 % po 145 ciklih.
Ko se spodnja mejna napetost zmanjša za 100V (z 2,50V na 1,50V), se stopnja slabljenja poveča za 14 % pri enakem številu ciklov; Ko se spodnja mejna napetost zmanjša za 1,70V (z 2,50V na 0,80V), je življenjska doba cikla samo 648-krat; Ko se baterija izprazni na 0 V, se življenjska doba zmanjša na 145-krat. Zmanjšanje spodnje mejne napetosti praznjenja pomembno vpliva na življenjsko dobo baterije. Razširitev razpona napetosti polnjenja in praznjenja baterije lahko poveča njeno zmogljivost, na primer, ko se napetost spremeni iz 2,50~3,65V na 0~3,65V. Kapaciteta baterije se je povečala za 4Ah.
Tudi z napeljavami imajo baterije enake vzorce delovanja kot brez napeljave. Nižja kot je napetost praznjenja akumulatorja, krajša je življenjska doba cikla. Pri izklopnih napetostih praznjenja 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V in 0V je število ciklov in stopnje zadrževanja baterije so 96,03 % po 1000 ciklih, 86.73 % po 928 ciklih, 84,46 % po 733 ciklih, 81,95 % po 741 ciklih, 61,28 % po 598 ciklih oziroma 60,08 % po 647 ciklih.
2.3 Značilnosti delovanja cikla prekomernega praznjenja pri različnih silah prednapetosti
Večja kot je stopnja prekomerne izpraznjenosti akumulatorja z ali brez sile predhodnega zategovanja, krajša je življenjska doba cikla. Nadalje raziščite vpliv prisotnosti ali odsotnosti napeljav na delovanje baterije. Z analizo podatkov primerjajte ciklično delovanje baterij z in brez vpenjal v enakih delovnih pogojih.
Ne glede na dejanski razpon ciklične napetosti baterije je ciklična zmogljivost baterij z vpenjalno opremo boljša od tistih brez vpenjalne naprave. Ker pa se spodnja meja napetosti praznjenja še naprej povečuje, se vpliv napeljav na ciklično delovanje baterije postopoma zmanjšuje. Med {{0}}~3,65 V je življenjska doba baterije z napeljavami 647-krat, medtem ko je življenjska doba baterije brez napeljav 145-krat, razlika 502-krat; Pri 0.20-3.65V je življenjska doba baterije z napeljavami 598-krat, medtem ko je življenjska doba baterije brez napeljav 119-krat, razlika je 479-krat; Pri 0.50-3.65V je stopnja ohranjanja zmogljivosti baterije brez vpenjal 67,72 % po 360 ciklih, medtem ko je stopnja ohranjanja zmogljivosti baterije z vpenjalnimi elementi 90.00%; Pri 0.80-3.65V je stopnja zadrževanja zmogljivosti baterije brez vpenjal 80.00% po 500 ciklih, medtem ko je stopnja ohranjanja zmogljivosti baterije z vpenjali 92,00 %; Pri 1.50-3,65 V je bila stopnja ohranjanja zmogljivosti baterije brez vpenjal 84,55 % po 928 ciklih, medtem ko je bila stopnja ohranjanja zmogljivosti baterije z vpenjali 86,73 %, povečanje za 2,18 odstotne točke pri ohranjanju zmogljivosti; Pri 2.50-3,65 V je stopnja ohranjanja zmogljivosti baterije brez vpenjal 94,07 % po 1000 ciklih, medtem ko je stopnja ohranjanja zmogljivosti baterije z vpenjali 96,03 %.
Ko se spodnja meja napetosti praznjenja zvišuje, vpliv vpenjal na ciklično delovanje baterije postopoma slabi, kar se kaže kot manjša vrzel v ohranjanju zmogljivosti med baterijami z in brez vpenjal. To kaže, da je učinek izboljšanja napeljav na ciklično delovanje baterije oslabljen v višjih napetostnih območjih.
Testiranje EIS je bilo opravljeno na baterijah (skupine A, B, C, F itd.) z in brez vpenjal v kasnejših fazah cikliranja za nekatere sheme, rezultati pa so prikazani na sliki 3. Začetna točka polkrog impedančnega spektra je impedanca vmesnika Rb med elektrodo in vmesnikom elektrolita; Končna točka polkroga je impedanca prenosa naboja Rct; Diagonalna črta predstavlja impedanco, ki jo povzroči difuzija Li+ znotraj delcev aktivnega materiala, kar je Warburgova impedanca (Dw). Od Rb in Rct: A-1
To tudi potrjuje, da lahko zunanji pritisk zmanjša vrzeli med vmesniki elektrod in poveča kontaktno površino vmesnika. Pod nižjim pritiskom bo baterija stisnjena in njena debelina se bo zmanjšala, kar lahko zmanjša kontaktni upor, skrajša pot prenosa Li+ in zmanjša izgubo aktivnega litija; Poleg tega lahko prepreči ločitev materialov pozitivne in negativne elektrode, ki jo povzroči nastajanje plina med nizkonapetostnim praznjenjem, zmanjša nepovratno širjenje baterije, ohrani stabilnost pozitivnih in negativnih elektrod ter izboljša ciklično zmogljivost baterije. Nižja kot je spodnja mejna napetost praznjenja, globlja je ekstrakcija litija iz materiala negativne elektrode in močnejša je proizvodnja plina v bateriji. Prisotnost napeljav lahko učinkovito zavira izgubo Li+aktivnosti, ki jo povzroča proizvodnja plina, in tako izboljša ciklično delovanje baterije. To tudi pojasnjuje, zakaj s postopnim naraščanjem napetosti praznjenja postaja razlika v številu ciklov med baterijami z in brez vpenjal vedno manjša.
Za nadaljnje opazovanje sprememb v kroženju baterije pri različnih napetostih smo baterijo razstavili in opazili spremembe v materialih pozitivne in negativne elektrode
Z morfološkega vidika ni bistvene razlike med materiali pozitivne in negativne elektrode po ciklih prekomernega praznjenja. Negativna elektroda je videti kot blok, pozitivna elektroda pa kot majhni delci. Prisotnost ali odsotnost pritrdilnih elementov ne vpliva na morfologijo materialov pozitivne in negativne elektrode. Med neprekinjenim postopkom plitkega polnjenja in globokega praznjenja se lahko parametri enotske celice materiala spremenijo, zlasti pri materialih negativnih elektrod, kar lahko povzroči spremembe v medslojnem razmiku.
XRD analiza je bila izvedena na negativni elektrodi, rezultati pa so prikazani na sliki. Iz slike je razvidno, da čeprav se baterija ciklično spreminja v različnih napetostnih območjih, je material negativne elektrode po cikliranju še vedno grafit in ne nastajajo nobene druge nove snovi. Znotraj istega napetostnega območja se značilni vrhovi negativnih elektrodnih plošč (002) in (100) baterije brez sponk premaknejo proti nižjim kotom, kar kaže, da se parametri mreže grafita povečajo in medravninski razmik poveča.
To pomeni, da se v primerjavi z baterijami s pritrdilnimi elementi med neprekinjenim postopkom polnjenja in praznjenja med neprekinjenim postopkom polnjenja in praznjenja grafitni vmesni razmik pri baterijah brez pritrdilnih elementov še naprej povečuje. Mikroskopske spremembe v tem materialu povzročajo resnejše poslabšanje ciklične zmogljivosti in tudi pojasnjujejo, zakaj je ciklična zmogljivost baterij z vpenjalno opremo bistveno boljša kot pri baterijah brez vpenjal v istem napetostnem območju.
2.4 Značilnosti koledarskih sprememb življenjske dobe po čezmerni izpraznitvi baterije
Za nadaljnje opazovanje sprememb zmogljivosti baterije po dolgotrajni prekomerni izpraznitvi, ohranjanje zmogljivosti in obnovitev baterije po izpraznitvi na navedeno napetost 0.50V, 0.80V, 1.50 V in 2,50 V za določeno časovno obdobje smo proučevali.
Tudi če je baterija shranjena pri nizki napetosti, ne bo prišlo do zmanjšanja zmogljivosti, kar nima pomembnega vpliva na kapaciteto in ne bo povzročilo izgube zmogljivosti zaradi prekomernega praznjenja. Z metodološkega vidika lahko baterijo, potem ko je bila preveč izpraznjena, pustimo nekaj časa in jo ponovno napolnimo z majhnim tokom, da obnovimo in ohranimo svojo zmogljivost.
3 Zaključek
Na podlagi študije karakteristik litij-ionskih baterij, ki se uporabljajo v podatkovnih centrih, je bil raziskan vpliv različnih sil prednapetosti na prekomerno praznjenje. Rezultati so pokazali, da:
Z uporabo dveh vrst predhodnih zateznih sil na baterijo s sponkami in brez njih, kroženje v šestih napetostnih območjih {{0}}~3,65 V, 0,20~3,65 V , 0,50~3,65V, 0,80~3,65V, 1,50~3,65V, in običajni obseg 2,50 ~ 3,65 V, ne glede na to, ali obstaja objemka, nižja kot je izklopna napetost praznjenja baterije, hitreje upada zmogljivost. V praktičnih aplikacijah se je treba čim bolj izogibati dolgotrajnemu cikliranju nizke napetosti, da podaljšamo življenjsko dobo baterije.
Napeljave lahko izboljšajo ciklično zmogljivost baterij, vendar njihov učinek oslabi, ko se poveča izklopna napetost praznjenja. Rezultati EIS, XRD in drugih testov kažejo, da lahko vpenjalo zagotovi stabilnost aktivnih materialov pozitivne in negativne elektrode med cikliranjem, zmanjša vrzeli med vmesniki elektrod, poveča kontaktno površino, zmanjša ohmski upor, skrajša Li+transportno pot, zmanjša aktivni litij izgubo, zmanjšati nepovratno širjenje baterije in izboljšati ciklično delovanje baterije. Eksperimentalni rezultati so vodilni pomen za zasnovo baterijskega sklopa, zato je priporočljivo, da prihodnji raziskovalci razmislijo o tesni zasnovi sklopa za izboljšanje učinkovitosti baterije.
Po dolgotrajnem shranjevanju v različnih območjih prepraznitvene napetosti se zmogljivost baterije ne zmanjša z zmanjšanjem izklopne napetosti praznjenja. Majhno dopolnjevanje toka lahko ohrani in obnovi zmogljivost. To zagotavlja rešitev problema zmanjšane zmogljivosti baterije po dolgotrajnem shranjevanju.