تأثير قوى التحميل المسبق المختلفة على أداء التفريغ الزائد لبطاريات الليثيوم

1 تجربة

1.1 تحضير البطارية

امزج القطب الموجب DY{{0}} فوسفات حديد الليثيوم، والعامل الموصل Super P، والموثق PVDF5130 بنسبة كتلة 94.0:2.5:3.5، وأضف المذيب NMP، وحركه لمدة 5 ساعة للحصول على ملاط ​​ذو محتوى صلب (60.0 ± 1.5)% ولزوجة 8000 ملي باسكال · ثانية. قم بتغطية الملاط على ورق ألومنيوم بسمك 16 ميكرومتر بكثافة سطحية تبلغ (330 ± 3) جم/م2. بعد الخبز بالفراغ عند 85 درجة لمدة 12 ساعة، قم بالضغط على القطب الكهربائي إلى كثافة مضغوطة تبلغ 2.20 جم / سم 3، والحصول على قطب كهربائي موجب بحجم 124 مم × 121 مم.

امزج الجرافيت السالب، وأسود الكربون الموصل Super P، وأكريلونيتريل LA133 بنسبة كتلة تبلغ 95.5:1.0:3.5، وقم بإعداد ملاط ​​باستخدام الماء منزوع الأيونات كمذيب، ثم قم بتغطيته بطبقة بسمك 8 ميكرومتر. رقائق النحاس بكثافة سطحية (160 ± 2) جم/م2. اضغط عليه جافًا ولفه مثل القطب الموجب لتحقيق كثافة مضغوطة تبلغ 1.45 جم / سم 3، والحصول على لوح قطب كهربائي سالب بحجم 130 مم × 127 مم.

بعد تجميع الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، تم تجهيز بطارية ليثيوم أيون 36130145 ذات غلاف ألومنيوم LFP كاملة بسعة مقدرة تبلغ 60Ah من خلال تغليفها بغطاء من الألومنيوم. بعد الخبز عند 85 درجة لمدة 12 ساعة، تم حقن المنحل بالكهرباء. تخضع البطارية المجهزة للتحول الكيميائي وتقسيم السعة. خطوات التكوين: اشحن عند درجة 0.05C لمدة 80 دقيقة، ثم اشحن عند درجة 0.10C لمدة 150 دقيقة، بأقصى جهد شحن 3.65 فولت. خطوة تقسيم السعة: اتركها عند 45 درجة لمدة 12 ساعة للتعمير، ثم قم بتفريغها عند 0.20 درجة مئوية مع جهد حد أقل يبلغ 2.50 فولت.

1.2 المورفولوجيا وتحليل البنية

مراقبة البنية المجهرية للمادة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح. استخدم مقياس حيود الأشعة السينية لتحليل التغيرات الهيكلية للمواد.

1.3 اختبار الأداء الكهروكيميائي

اختبر EIS للبطارية باستخدام محطة عمل كهروكيميائية. استخدم جهاز اختبار بطارية عالي الدقة لاختبار أداء البطارية، بنطاق 5 فولت و100~50{{10}}أ. طريقة اختبار السعة التقليدية: اشحن بتيار ثابت من 1.00C إلى 3.65 فولت، ثم قم بالتبديل إلى جهد ثابت واشحن حتى الوصول إلى 0.05C؛ اتركه لمدة 0.5 ساعة، وقم بالتفريغ عند 1.00 درجة مئوية إلى 2.50 فولت، واتركه لمدة 0.5 ساعة، وقم بالدورة 3 مرات.

طريقة اختبار دورة البطارية: اشحن بتيار ثابت من 1.00C إلى 3.65 فولت، ثم قم بالتبديل إلى الشحن بجهد ثابت حتى قطع 0.05C. قم بالتفريغ عند 1.00C، 2.{{10}}C، و5.00C على التوالي إلى 2.50V، كرر الدورة، واتركها اجلس لمدة {{30}}.5 ساعات في المنتصف، حتى يتم تدويره 1000 مرة. طريقة اختبار التفريغ الزائد للبطارية: معدل تفريغ الشحنة المرجعي هو 1.00C للشحن و1.00C للتفريغ، وجهود التفريغ الزائد هي 0-3.65V, 0.20-3.65V, 0.50-3.65V، 0.80-3.65V، و1.50-3.65V، على التوالي. الجهد التقليدي هو 2.50 ~ 3.65 فولت. تُستخدم أداة تثبيت لتطبيق قوة ربط مسبقة تبلغ (1400 ± 200) نيوتن على مستوى خلية البطارية؛ لا يعني عدم وجود تركيبات تطبيق قوة تحميل مسبق تبلغ 0N على خلية البطارية.

طريقة اختبار العمر الافتراضي للبطارية: ① الشحن عند 0.50C تيار ثابت إلى 3.65 فولت، التبديل إلى الشحن بجهد ثابت إلى 0.05C قطع ، اتركه لمدة 0.5h، التفريغ عند 78{{20}}W إلى 2.50V، سعة التسجيل 1؛ ② ضعه جانبًا لمدة 0.5 ساعات، اشحن 3.65 فولت عند 0.50 تيار مستمر، قم بالتبديل إلى شحن الجهد المستمر حتى قطع 0.05C، اتركه جانبًا لمدة 0.5 ساعة، وقم بالتفريغ إلى الجهد المحدد (1.50 فولت، 0.80 فولت، 0.50 فولت) عند 780 وات، واتركه جانبًا للوقت المحدد، واشحن 3.65 فولت عند تيار ثابت 0.10 درجة مئوية، قم بالتبديل إلى شحن الجهد المستمر حتى قطع 0.05 درجة مئوية، واتركه جانبًا لمدة 0.5 ساعة، وقم بالتفريغ إلى 2.50 فولت عند 780 وات، وسجل سعة التفريغ 2؛ ③ كرر الخطوة 1، وسجل سعة التفريغ 3، وكرر الخطوات من 1 إلى 3. ومن بينها، نسبة السعة 2 إلى السعة 1 هي معدل الاحتفاظ، ونسبة السعة 3 إلى السعة 1 هي معدل الاسترداد.

2 النتائج والمناقشة

2.1 أداء الدورة بتكبيرات مختلفة

تم إجراء التجربة على أساس البطارية المستخدمة في مركز البيانات، ويظهر في الشكل 1 معدل أداء دورة البطارية. من الشكل، يمكن ملاحظة أنه بنفس معدل الشحن، بعد 2{{3 }}0 دورات تفريغ عند 2.00مئوية و5.00مئوية، تنخفض السعة بنسبة 14% و20% على التوالي. بالمقارنة مع دورة التفريغ 1.00C، تنخفض السعة بنسبة 12%، أي أقل بمقدار 2 و8 نقاط مئوية، على التوالي. من منظور أداء التدوير، تتميز البطاريات بخاصية التدوير بمعدل طويل.

2.2 خصائص أداء دورة التفريغ الزائد في نطاقات الجهد المختلفة

لدراسة خصائص التفريغ الزائد لبطاريات غلاف الألومنيوم في نطاقات جهد مختلفة، تم إجراء اختبارات التدوير المستمر على البطاريات، مع متغيرات تتمثل في نطاق الجهد وحالة البطارية أثناء التدوير: مع أو بدون تركيبات. قم بترقيم البطاريات بشكل منفصل، وارجع إلى الجدول 1 لمعرفة التغييرات والحالة الأولية للبطاريات. حالة شحن البطاريات (SOC) هي 30%. من الجهد الأولي، والمقاومة الداخلية، وسمك مجموعات البطاريات الـ 12 المدرجة في الجدول 1 عند 30% SOC، يعد اتساق البطاريات التجريبية جيدًا.

قم بإجراء اختبار دوري مستمر على البطارية، ويظهر منحنى التوهين في الشكل أدناه. يمكن ملاحظة أنه عندما لا تحتوي البطارية على أداة تثبيت، فإن أداء دورة البطارية يتدهور تدريجيًا مع زيادة درجة التفريغ الزائد. عندما تكون جهود قطع التفريغ للبطارية هي 2.50V، و1.50V، و0.80V، و0.50V، و0.20V، و0V، يبلغ عدد الدورات وسعة الاحتفاظ بالبطارية 94.07% بعد 1000 دورة، و80.00% بعد 1000 دورة، 74.93% بعد 648 دورة، 67.72% بعد 360 دورة، 63.26% بعد 119 دورة، و 61.85% بعد 145 دورة، على التوالي.

عندما ينخفض ​​جهد الحد الأدنى بمقدار 1.00V (من 2.50V إلى 1.50V)، يزداد معدل التوهين بنسبة 14% تحت نفس العدد من الدورات؛ عندما ينخفض ​​جهد الحد الأدنى بمقدار 1.70فولت (من 2.50 فولت إلى 0.80 فولت)، يكون عمر الدورة 648 مرة فقط؛ وعندما يتم تفريغ البطارية إلى 0 فولت، ينخفض ​​عمر الدورة إلى 145 مرة. إن الانخفاض في الحد الأدنى من جهد التفريغ له تأثير كبير على عمر دورة البطارية. يمكن أن يؤدي توسيع نطاق جهد الشحن والتفريغ للبطارية إلى زيادة قدرتها، كما هو الحال عندما يتغير الجهد من 2.50 إلى 3.65 فولت إلى 0 إلى 3.65 فولت. زادت سعة البطارية بمقدار 4Ah.

حتى مع التركيبات، تظهر البطاريات نفس أنماط الأداء كما هو الحال بدون التركيبات. كلما انخفض جهد تفريغ البطارية، قل عمر الدورة. عند قطع التفريغ بجهد 2.50V، و1.50V، و0.80V، و0.50V، و0.20V، و0V، يكون عدد الدورات ومعدلات الاحتفاظ بالبطارية 96.03% بعد 1000 دورة 86.73% بعد 928 دورة، 84.46% بعد 733 دورة، 81.95% بعد 741 دورة، 61.28% بعد 598 دورة، و60.08% بعد 647 دورة، على التوالي.

2.3 خصائص أداء دورة التفريغ الزائد في ظل قوى التحميل المسبق المختلفة

كلما كانت درجة التفريغ الزائد للبطارية أعمق مع أو بدون قوة شد مسبقة، كلما كان عمر الدورة أقل. مزيد من استكشاف تأثير وجود أو عدم وجود التركيبات على أداء البطارية. من خلال تحليل البيانات، قم بمقارنة الأداء الدوري للبطاريات مع التركيبات وبدونها في نفس ظروف التشغيل.

بغض النظر عن نطاق الجهد الكهربي الفعلي للبطارية، فإن أداء تدوير البطاريات ذات التركيبات يتفوق على تلك التي لا تحتوي على تركيبات. ومع ذلك، مع استمرار زيادة الحد الأدنى لجهد التفريغ، يتناقص تدريجيًا تأثير التركيبات على أداء دورة البطارية. بين {{0}}~3.65 فولت، عمر البطارية مع التركيبات 647 مرة، بينما عمر البطارية بدون التركيبات 145 مرة، بفارق 502 مرة؛ عند 0.20-3.65V، يكون عمر البطارية مع التركيبات 598 مرة، بينما عمر البطارية بدون التركيبات 119 مرة، بفارق 479 مرة؛ عند 0.50-3.65V، يبلغ معدل الاحتفاظ بقدرة البطارية بدون تركيبات 67.72% بعد 360 دورة، في حين أن معدل الاحتفاظ بقدرة البطارية مع التركيبات هو 90.00%; عند 0.80-3.65 فولت، يكون معدل الاحتفاظ بقدرة البطارية بدون التركيبات 80.00% بعد 500 دورات، بينما معدل الاحتفاظ بسعة البطارية مع التركيبات هو 92.00 %؛ عند 1.50-3.65 فولت، كان معدل الاحتفاظ بقدرة البطارية بدون تركيبات 84.55% بعد 928 دورة، بينما كان معدل الاحتفاظ بقدرة البطارية مع التركيبات 86.73%، بزيادة قدرها 2.18 نقطة مئوية في الاحتفاظ بالقدرات؛ عند 2.50-3.65 فولت، يبلغ معدل الاحتفاظ بقدرة البطارية بدون تركيبات 94.07% بعد 1000 دورة، بينما يبلغ معدل الاحتفاظ بقدرة البطارية مع التركيبات 96.03%.

ومع زيادة الحد الأدنى لجهد التفريغ، فإن تأثير التركيبات على أداء دورة البطارية يضعف تدريجياً، ويتجلى ذلك في تضييق الفجوة في الاحتفاظ بالسعة بين البطاريات مع التركيبات وبدونها. يشير هذا إلى أن تأثير تحسين التركيبات على أداء دورة البطارية يضعف في نطاقات الجهد العالي.

تم إجراء اختبار EIS على البطاريات (المجموعات A، B، C، F، وما إلى ذلك) مع وبدون تركيبات في المراحل اللاحقة من ركوب الدراجات لبعض المخططات، وتظهر النتائج في الشكل 3. نقطة البداية لل نصف دائرة طيف المعاوقة هي معاوقة الواجهة Rb بين القطب وواجهة المنحل بالكهرباء؛ نقطة نهاية نصف الدائرة هي ممانعة نقل الشحنة Rct؛ يمثل الخط القطري المعاوقة الناتجة عن انتشار Li+ داخل جزيئات المادة الفعالة، وهي ممانعة واربورغ (Dw). من Rb وRct: A-1

وهذا يؤكد أيضًا أن الضغط الخارجي يمكن أن يقلل من فجوات واجهة القطب الكهربائي ويزيد من مساحة تلامس الواجهة. تحت ضغط منخفض، سيتم ضغط البطارية وسينخفض ​​سمكها، مما قد يقلل من مقاومة التلامس، ويقصر مسار نقل Li+، ويقلل من فقدان الليثيوم النشط؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يمنع انفصال مواد القطب الموجب والسالب الناتج عن إنتاج الغاز أثناء تفريغ الجهد المنخفض، ويقلل من التمدد الذي لا رجعة فيه للبطارية، ويحافظ على استقرار الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، ويحسن أداء دورة البطارية. كلما انخفض جهد الحد الأدنى للتفريغ، كلما زاد عمق استخلاص الليثيوم لمادة القطب السالب، وكلما زاد إنتاج الغاز للبطارية. يمكن أن يؤدي وجود التركيبات إلى منع فقدان نشاط Li+ الناتج عن إنتاج الغاز بشكل فعال، وبالتالي تحسين أداء دورة البطارية. وهذا ما يفسر أيضًا السبب في أنه مع زيادة جهد التفريغ تدريجيًا، يصبح الفرق في عدد الدورات بين البطاريات مع التركيبات وبدونها أصغر فأصغر.

لمزيد من مراقبة التغيرات في دورة البطارية عند الفولتية المختلفة، تم تفكيك البطارية ولوحظت التغييرات في مواد القطب الموجب والسالب

من المنظور المورفولوجي، لا يوجد فرق كبير بين مواد القطب الموجب والسالب بعد دورات التفريغ الزائد. يظهر القطب السالب ككتلة، بينما يظهر القطب الموجب كجزيئات صغيرة. إن وجود أو عدم وجود التركيبات ليس له أي تأثير على شكل مواد القطب الموجب والسالب. أثناء الشحن الضحل المستمر وعملية التفريغ العميق، قد تتغير معلمات خلية الوحدة للمادة، خاصة بالنسبة لمواد القطب السالب، مما قد يؤدي إلى تغييرات في التباعد بين الطبقات.

تم إجراء تحليل XRD على القطب السالب، وتظهر النتائج في الشكل. من الشكل، يمكن ملاحظة أنه على الرغم من تدوير البطارية في نطاقات جهد مختلفة، إلا أن مادة القطب السالب بعد التدوير تظل جرافيت ولا يتم إنتاج أي مواد جديدة أخرى. ضمن نفس نطاق الجهد، تتحول القمم المميزة لألواح القطب السالب (002) و(100) للبطارية الخالية من المشبك نحو الزوايا السفلية، مما يشير إلى أن معلمات الشبكة للجرافيت تزداد وزيادة التباعد بين الكواكب.

وهذا يعني أنه بالمقارنة مع البطاريات ذات التركيبات، فإن التباعد بين طبقات الجرافيت للبطاريات غير الثابتة يستمر في الزيادة أثناء عملية الشحن والتفريغ المستمرة. تؤدي التغيرات المجهرية في هذه المادة إلى تدهور أكثر حدة في أداء التدوير، وتفسر أيضًا سبب كون أداء التدوير للبطاريات ذات التركيبات أفضل بكثير من أداء البطاريات التي لا تحتوي على تركيبات في نفس نطاق الجهد.

2.4 تتغير خصائص عمر التقويم بعد تفريغ البطارية الزائد

لمزيد من مراقبة التغيرات في سعة البطارية بعد التفريغ الزائد على المدى الطويل، والاحتفاظ بقدرة البطارية واستعادتها بعد تفريغها إلى الجهد المحدد 0.50V، 0.80V، 1.50 تمت دراسة الجهد V، و2.50V لفترة زمنية معينة.

حتى إذا تم تخزين البطارية بجهد منخفض، فلن يكون هناك تدهور في السعة، وهو ما لا يكون له تأثير كبير على السعة ولن يتسبب في فقدان السعة بسبب التفريغ الزائد. من الناحية المنهجية، بعد تفريغ البطارية بشكل زائد، يمكن تركها لفترة من الوقت وإعادة شحنها بتيار صغير لاستعادة سعتها والحفاظ عليها.

3 الاستنتاج

بناءً على دراسة خصائص بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في مراكز البيانات، تم استكشاف تأثير قوى التحميل المسبق المختلفة على التفريغ الزائد. وأظهرت النتائج أن:

من خلال تطبيق نوعين من قوى الشد المسبق على البطارية مع وبدون المشابك، يتم التدوير في ستة نطاقات جهد {{0}}~3.65 فولت، 0.20~3.65 فولت ، 0.50 ~ 3.65 فولت، 0.80 ~ 3.65 فولت، 1.50 ~ 3.65 فولت، والنطاق التقليدي من 2.50 ~ 3.65 فولت، بغض النظر عما إذا كان هناك هو المشبك، كلما انخفض جهد قطع التفريغ للبطارية، كلما كان تسوس السعة أسرع. في التطبيقات العملية، ينبغي تجنب دورات الجهد المنخفض على المدى الطويل قدر الإمكان لإطالة عمر خدمة البطارية.

يمكن أن تعمل التركيبات على تحسين أداء دورة البطاريات، لكن تأثيرها يضعف مع زيادة جهد قطع التفريغ. تظهر نتائج اختبارات EIS وXRD وغيرها من الاختبارات أن التركيب يمكن أن يضمن ثبات المواد النشطة للقطب الموجب والسالب أثناء ركوب الدراجات، وتقليل فجوات واجهة القطب، وزيادة منطقة الاتصال، وانخفاض المقاومة الأومية، وتقصير مسار نقل Li+، وتقليل الليثيوم النشط. فقدان، والحد من التوسع لا رجعة فيه للبطارية، وتحسين أداء دورة البطارية. النتائج التجريبية لها أهمية توجيهية لتصميم تجميع البطارية، ومن المستحسن أن يفكر الباحثون المستقبليون في تصميم تجميع محكم لتحسين أداء البطارية.

بعد التخزين على المدى الطويل في نطاقات مختلفة من جهد التفريغ الزائد، لن تنخفض سعة البطارية مع انخفاض جهد قطع التفريغ. يمكن للتجديد الحالي الصغير الحفاظ على القدرة واستعادتها. وهذا يوفر حلاً لمشكلة انخفاض أداء البطارية بعد التخزين لفترة طويلة.