Diseño de batería de iones de litio de alto rendimiento para una carga rápida

Tengo un sueño: "¡Un día podré diseñar una batería de iones de litio que tenga características de carga rápida, alta energía específica y larga duración!" Estas características son difíciles de lograr al mismo tiempo. Nuestros diseñadores de baterías de iones de litio son conscientes de que la carga rápida puede afectar seriamente la vida útil de las baterías de iones de litio, a menudo porque el Li + se incrusta rápidamente en la rejilla de grafito negativo, lo que puede causar una tensión mecánica severa en el material de grafito, lo que da como resultado un ánodo de grafito El problema de la delaminación y la rotura de partículas del material, además de una velocidad de carga demasiado rápida o una temperatura baja de la batería durante la carga, puede hacer que el metal Li se precipite en la superficie del electrodo negativo, lo que conducirá a la pérdida de la capacidad reversible del litio. batería de iones y decadencia del ciclo de vida. La celda de potencia es más alta que la energía, por lo que reducir el tiempo de carga de la celda de potencia es una tarea más desafiante. Para resolver este problema, Franz B. Spingler de la Universidad Tecnológica de Munich, Alemania, analizó la relación entre el litio negativo e irreversible, la expansión irreversible del volumen de la celda y la pérdida de capacidad de la batería, y diseñó un sistema de carga rápida para alta capacidad. baterías basadas en esto., Este sistema puede reducir el tiempo de carga en un 11% y la disminución de la capacidad en un 16% (200 ciclos) en comparación con la carga de presión constante de corriente constante doble 1C.

En el experimento se utilizó la batería de paquete flexible NCM / grafito con una capacidad de 3,3 Ah. Las características básicas de la batería se muestran en la siguiente tabla. La batería se coloca en un termostato. Durante todo el proceso de carga y descarga, el espesador láser medirá continuamente su grosor a lo largo de la batería y utilizará un sensor de temperatura infrarrojo para rastrear los cambios de temperatura en la superficie de la batería de iones de litio (como se muestra en la figura siguiente).

Franz B. Spingler analizó primero el efecto de la temperatura sobre las características de expansión de las baterías de iones de litio. Cuando la temperatura de la batería vuelve de 0 ° C a 45 ° C, la tasa de expansión promedio de toda la batería es de 1,2 um / ° C. De la figura B a continuación, también podemos observar que la expansión de toda la batería no es uniforme, el borde de la batería es más grande y la velocidad de expansión local de la batería está en el rango de 0.6 um / ° C a 3.4 um / ° C. El coeficiente de expansión es equivalente a 1.2 X 10-4 / ° C a 7.0 X 10-4 / ° C, con un promedio de 2.5 x 10-4 / ° C. La razón principal para medir la temperatura de expansión de la batería de iones de litio es que la temperatura de la batería de iones de litio aumentará durante el proceso de carga. Esto también provocará la expansión de la batería de iones de litio y la necesidad de separar la expansión de temperatura de la expansión total de la batería de iones de litio.

La siguiente figura muestra la expansión volumétrica durante la carga de CC-CV usando 0.5 C, 1.0 C, 1.5 C y 2C, respectivamente, donde la curva del segmento de línea es la curva de expansión de la batería medida directamente. La línea continua es la curva de expansión de la batería después de deducir el factor de expansión causado por la temperatura. Podemos notar que cuando la batería se carga con una gran corriente (1.5 C y 2.0 C), la expansión de la batería comienza a mostrar un pico de expansión (sobreimpulso) en las primeras etapas de la carga de la batería desde la carga de corriente constante hasta la carga de presión constante, y luego cae y desaparece antes de que finalice la carga de presión constante. Primero, observamos la carga de 2.0 C, que tiene un pico de expansión de volumen de aproximadamente 40um, lo que representa el 25% de la expansión de volumen total de 0-100% de baterías SoC. El tamaño de este pico de expansión volumétrica está estrechamente relacionado con la relación de recarga de la batería, que es de 25um a 1,5 C, mientras que 0,5 C y 1C no tienen tal expansión máxima. Franz B. Spingler cree que la razón principal de este pico de expansión puede ser que el metal Li precipitó en la superficie negativa durante la carga rápida y se volvió a incrustar en el electrodo negativo de grafito al final de la carga a presión constante.

Si el pico de expansión de la batería se debe a la superficie negativa del litio, entonces se generará una plataforma en la curva de voltaje durante la reincorporación del metal Li en el electrodo negativo, por lo que Franz B. Spingler verifica si la suposición anterior es correcta. . Cuando la batería se carga al 90% (la parte superior de la expansión de volumen máximo) a diferentes tasas de aumento, el voltaje de la batería se interrumpe y se registran los cambios en el voltaje de la batería (como se muestra en la figura siguiente). Como podemos ver en la curva de voltaje estático, el voltaje de las baterías recargadas a 0.5 C y 1.0 C está disminuyendo rápidamente después de que se interrumpe la carga, mientras que las baterías con una relación de recarga superior a 1.5 C tienen una plataforma de voltaje significativa durante la caída de voltaje después de la carga. se interrumpe. En particular, la plataforma de voltaje de la batería que se carga a 2.0 C y 2.5 C es muy obvia. Esto muestra que con el aumento de la relación de carga, el fenómeno del metal de superficie negativa Li se ha vuelto más obvio. También muestra que el pico de expansión de volumen que se produce en las baterías de iones de litio durante la carga de gran corriente tiene una estrecha relación con el analizador de superficie negativa de litio.

La expansión de volumen generada por una batería de iones de litio durante la carga no es completamente reversible. La siguiente figura muestra la pérdida de capacidad, la expansión de volumen irreversible promedio y la expansión de volumen irreversible máxima de la batería para cada ciclo en diferentes relaciones de carga. En la figura, notamos que la expansión de volumen irreversible de la batería tiene una fuerte correlación con la pérdida de capacidad de la batería. El cálculo muestra que la correlación entre la expansión de volumen irreversible promedio y la pérdida de capacidad de la batería es 0.945, y la expansión de volumen irreversible máxima tiene una correlación con la pérdida de capacidad de la batería. Hasta 0,996.

El estudio de Franz B. Spingler encontró que la expansión volumétrica irreversible de la batería en el borde de la batería es a menudo más grave. Para explicar este fenómeno, Franz B. Spingler realizará una autopsia de la batería recargada con un aumento de 0.5-2 .0 C. La siguiente figura muestra la anatomía. Dos polos negativos, de la siguiente figura podemos ver que la posición del borde de la batería suele ser más irreversible y la expansión volumétrica es más grave. En la superficie negativa disecada de la batería, encontramos que hay un importante metal Li precipitado en estas posiciones. Esto muestra que la expansión de volumen irreversible y la pérdida de capacidad de la batería están estrechamente relacionadas con la precipitación del metal Li en la superficie negativa.

A partir del análisis anterior, no es difícil ver que la precipitación irreversible del metal Li en la superficie negativa, la expansión de volumen irreversible de la batería y la pérdida de capacidad de la batería están estrechamente relacionadas. Por lo tanto, debemos evitar la precipitación de Li metálico negativo e irreversible cuando diseñamos el sistema de carga rápida de las baterías de iones de litio. Con el fin de diseñar un sistema de carga que pueda cargar rápidamente y evitar el rápido deterioro de la vida útil de la batería, Franz B. Spingler carga la batería al 10-100% de SoC usando un multiplicador de 0.5-3 .0 C, y luego 0.5 C de corriente constante- Descarga de presión constante al 0% de SoC, la expansión volumétrica irreversible máxima de la batería se registra para guiar el diseño del sistema de carga rápida. Los resultados de la prueba se muestran en la siguiente figura. En la figura, podemos notar una tendencia de que cuanto mayor es la relación de carga, mayor es el final del SoC, mayor es la expansión de volumen máxima irreversible de la batería, lo que significa que la capacidad de la batería se pierde. El mayor.

Para minimizar la expansión de volumen irreversible máxima, Franz B. Spingler usa una carga segmentada, en la que se usan cargas de 2.4 C en el rango de 0-10% de SoC y luego se reducen una por una (como se muestra en la Figura C a continuación), a través de Este sistema de carga optimizado., El tiempo de carga de las baterías de iones de litio se puede reducir hasta en un 21% (en comparación con el sistema CC-CV de aumento 1C), reduciendo efectivamente el tiempo de carga.

El sistema de carga optimizado mejora efectivamente el ciclo de vida de las baterías de iones de litio al reducir la expansión de volumen irreversible. La siguiente figura muestra la curva del ciclo de la batería utilizando el sistema de carga optimizado, la relación 1C CC-CV y el sistema de carga CC-CV de relación 1,4 C., Se puede ver que en comparación con la curva CC-CV ordinaria, el ciclo de la batería rendimiento después de que el sistema de carga optimizado se haya mejorado significativamente (200 semanas de ciclo, 16% de pérdida de capacidad). A partir de los resultados anatómicos de la batería, después de optimizar el sistema de carga, el litio negativo extremadamente irreversible de la batería también se ha reducido significativamente.

Franz B. Spingler reveló la relación entre el análisis de litio irreversible polar negativo causado por baterías de iones de litio que se cargan a diferentes tasas de aumento y la expansión volumétrica irreversible de la batería y la pérdida de capacidad de la batería. La razón de la carga rápida de la disminución y aceleración de la capacidad de las baterías de iones de litio, De acuerdo con la expansión volumétrica irreversible de las baterías causada por diferentes relaciones de carga, se desarrolló un sistema de carga optimizado, que redujo el tiempo de carga en un 21% y la pérdida de capacidad. en un 16% (200 ciclos) en comparación con el sistema de carga CC-CV que dobla 1C.

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