1 Experiment
1.1 Příprava baterie
Smíchejte kladnou elektrodu DY{{0}} fosforečnan lithný, vodivé činidlo Super P a pojivo PVDF5130 v hmotnostním poměru 94,0:2,5:3,5, přidejte rozpouštědlo NMP a míchejte 5 hodin, aby se získala suspenze s obsahem pevných látek (60,0 ± 1,5) % a viskozitou 8000 mPa.s. Naneste kaši na 16 μm silnou hliníkovou fólii s plošnou hustotou (330 ± 3) g/m2. Po vakuovém vypalování při 85 stupních po dobu 12 hodin válečkovým lisem elektrodu na zhutněnou hustotu 2,20 g/cm3 a získáte kladnou elektrodu o velikosti 124 mm × 121 mm.
Smíchejte negativní grafit, vodivé saze Super P a akrylonitril LA133 v hmotnostním poměru 95,5:1.0:3,5, připravte kaši s použitím deionizované vody jako rozpouštědla a naneste ji na 8 μm silnou měděná fólie o plošné hmotnosti (160 ± 2) g/m2. Vysušte a srolujte jej jako kladnou elektrodu, abyste dosáhli zhutněné hustoty 1,45 g/cm3 a získali plát záporné elektrody o velikosti 130 mm × 127 mm.
Po naskládání kladných a záporných elektrod byla 36130145 s hliníkovým pláštěm LFP lithium-iontová plná baterie s jmenovitou kapacitou 60Ah připravena jejich zapouzdřením do hliníkového krytu. Po pečení při 85 stupních po dobu 12 hodin byl vstříknut elektrolyt. Připravená baterie prochází chemickou přeměnou a dělením kapacity. Kroky formování: Nabíjejte při 0,05C po dobu 80 minut, poté nabíjejte při 0,10C po dobu 150 minut, s maximálním nabíjecím napětím 3,65V. Krok rozdělení kapacity: Nechte jej při 45 stupních po dobu 12 hodin zestárnout, poté jej vybijte při 0,20C s dolním limitním napětím 2,50V.
1.2 Morfologie a strukturní analýza
Pozorujte mikrostrukturu materiálu pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu. Použijte rentgenový difraktometr k analýze strukturních změn materiálů.
1.3 Testování elektrochemických vlastností
Otestujte EIS baterie pomocí elektrochemické pracovní stanice. K testování výkonu baterie použijte vysoce přesný tester baterií s rozsahem 5V a 100~50{{10}}A. Konvenční metoda testování kapacity: Nabíjejte konstantním proudem 1.{13}}C až 3,65 V, poté přepněte na konstantní napětí a nabíjejte, dokud nedosáhnete 0,05 C; Nechte 0,5 hodiny uležet, vybijte při 1,00C až 2,50V, nechte 0,5 hodiny odstát, 3x cyklus.
Metoda testování cyklu baterie: Nabíjejte konstantním proudem 1.00C až 3,65 V, poté přepněte na nabíjení konstantním napětím až do 0.05C přerušení. Vybíjejte při 1.00C, 2.{10}}C a 5.{12}}C respektive 2,50V, opakujte cyklus, nechte jej sedět {{30}},5 hodiny uprostřed, dokud nebude cyklováno 1000krát. Metoda testu nadměrného vybití baterie: Referenční rychlost vybíjení je 1.{21}}C pro nabíjení a 1,00C pro vybíjení a napětí při nadměrném vybíjení jsou 0-3,65V, 0.20-3,65V, 0.50-3,65V, 0.80-3,65V a 1.50-3,65V, v tomto pořadí. Konvenční napětí je 2,50~3,65V. K vyvození předběžné utahovací síly (1400 ± 200) N na rovinu článku baterie se používá přípravek; Žádný přípravek znamená použití síly předpětí 0 N na článek baterie.
Metoda testování životnosti baterie: ① Nabíjejte při 0,50C konstantním proudem na 3,65 V, přepněte na nabíjení konstantním napětím na 0.0Vypnutí 5C , nechte jej sedět 0,5h, vybíjení při 78{{20}}W až 2,50V, kapacita záznamu 1; 2 odložit na 0,5 hodiny, vybít na uvedené napětí (1,50V, 0,80V, 0,50V) při 780W, odložit na stanovenou dobu, nabít 3,65V při 0,10C konstantním proudu, přepnout na nabíjení konstantním napětím až do přerušení 0,05C, ponechat stranou na 0,5 hodiny a vybít na 2,50V při 780W, zaznamenat vybíjecí kapacitu 2; ③ Opakujte krok 1, zaznamenejte kapacitu vybíjení 3 a opakujte kroky 1 až 3. Mezi nimi poměr kapacity 2 ke kapacitě 1 je míra zadržování a poměr kapacity 3 ke kapacitě 1 je míra obnovy.
2 Výsledky a diskuse
2.1 Výkon cyklu při různých zvětšeních
Experiment byl proveden na bázi baterie používané v datovém centru a rychlost cyklování výkonu baterie je znázorněna na obrázku 1. Z obrázku je vidět, že při stejné rychlosti nabíjení po 2{{3 }}0 cyklů vybíjení při 2.{5}}C a 5.{9}}C, kapacita se sníží o 14 % a 20 %. V porovnání s vybíjecím cyklem 1,00C se kapacita sníží o 12 %, což je o 2, respektive o 8 procentních bodů nižší. Z hlediska cyklistického výkonu mají baterie charakteristiku dlouhého cyklování.
2.2 Charakteristiky výkonu cyklu přebíjení v různých rozsazích napětí
Pro studium charakteristik nadměrného vybíjení hliníkových skořepinových baterií v různých napěťových rozsazích byly na bateriích provedeny testy nepřetržitého cyklování, přičemž proměnnými byl rozsah napětí a stav baterie během cyklování: s příslušenstvím nebo bez něj. Baterie číslujte samostatně a změny a výchozí stav baterií najdete v tabulce 1. Stav nabití (SOC) baterií je 30 %. Z počátečního napětí, vnitřního odporu a tloušťky 12 skupin baterií uvedených v tabulce 1 při 30 % SOC je konzistence experimentálních baterií dobrá.
Proveďte průběžné cyklické testování baterie a křivka útlumu je znázorněna na obrázku níže. Je vidět, že když baterie nemá žádný držák, cyklický výkon baterie se postupně zhoršuje, jak se zvyšuje stupeň přebití. Když je vybíjecí napětí baterie 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V a 0V, počet cyklů a zachování kapacity baterie je 94,07 % po 1000 cyklech, 80,00 % po 1000 cyklech, 74,93 % po 648 cyklech, 67,72 % po 360 cyklech, 63,26 % po 119 cyklech a 61,85 % po 145 cyklech.
Když se dolní mezní napětí sníží o 1.00V (z 2,50V na 1,50V), zvýší se míra útlumu o 14 % při stejném počtu cyklů; Když se dolní mezní napětí sníží o 1,70V (z 2,50 V na 0,80 V), životnost cyklu je pouze 648krát; A když je baterie vybitá na 0V, životnost cyklu klesne na 145krát. Snížení dolní mezní hodnoty vybíjecího napětí má významný dopad na životnost baterie. Rozšíření rozsahu nabíjecího a vybíjecího napětí baterie může zvýšit její kapacitu, například když se napětí změní z 2,50~3,65V na 0~3,65V. Kapacita baterie se zvýšila o 4Ah.
Dokonce i s příslušenstvím vykazují baterie stejný výkon jako bez příslušenství. Čím nižší je vybíjecí napětí baterie, tím kratší je životnost cyklu. Při vybíjecích vypínacích napětích 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V a 0V je počet cyklů a míra udržení baterie je 96,03 % po 1000 cyklech, 86,73 % po 928 cyklech, 84,46 % po 733 cyklech, 81,95 % po 741 cyklech, 61,28 % po 598 cyklech a 60,08 % po 647 cyklech.
2.3 Charakteristiky výkonu cyklu přebíjení při různých silách předpětí
Čím hlubší je stupeň nadměrného vybití baterie s nebo bez předběžné utahovací síly, tím kratší je životnost. Dále prozkoumejte dopad přítomnosti nebo nepřítomnosti příslušenství na výkon baterie. Analýzou dat porovnejte cyklický výkon baterií s příslušenstvím a bez něj za stejných provozních podmínek.
Bez ohledu na skutečný rozsah cyklického napětí baterie je cyklovací výkon baterií s příslušenstvím lepší než těch bez příslušenství. Nicméně, jak se spodní hranice vybíjecího napětí stále zvyšuje, vliv svítidel na cyklování baterie se postupně snižuje. Mezi {{0}}~3,65 V je životnost baterie s příslušenstvím 647krát, zatímco životnost baterie bez příslušenství je 145krát, což je rozdíl 502krát; Při 0.20-3.65 V je životnost baterie s příslušenstvím 598krát, zatímco životnost baterie bez zařízení je 119krát, což je rozdíl 479krát; Při 0.50-3,65V je míra zachování kapacity baterie bez příslušenství 67,72 % po 360 cyklech, zatímco míra zachování kapacity baterie s příslušenstvím je 90.{19}}%; Při 0.80-3,65V je míra zachování kapacity baterie bez příslušenství 80.00% po 500 cyklech, zatímco míra zachování kapacity baterie s příslušenstvím je 92,00 %; Při 1.50-3,65 V byla míra zachování kapacity baterie bez příslušenství 84,55 % po 928 cyklech, zatímco míra zachování kapacity baterie s příslušenstvím byla 86,73 %, což představuje nárůst o 2,18 procentního bodu v udržení kapacity; Při 2.50-3,65 V je míra zachování kapacity baterie bez příslušenství 94,07 % po 1000 cyklech, zatímco míra zachování kapacity baterie s příslušenstvím je 96,03 %.
S rostoucí spodní hranicí vybíjecího napětí postupně slábne vliv svítidel na cyklovací výkon baterie, což se projevuje jako zužující se mezera v retenci kapacity mezi bateriemi s příslušenstvím a bez něj. To naznačuje, že efekt zlepšení svítidel na výkon cyklování baterie je ve vyšších napěťových rozsazích oslaben.
Testování EIS bylo provedeno na bateriích (skupiny A, B, C, F atd.) s příslušenstvím a bez něj v pozdějších fázích cyklování u některých schémat a výsledky jsou uvedeny na obrázku 3. Výchozí bod testu impedanční spektrum půlkruh je impedance rozhraní Rb mezi elektrodou a rozhraním elektrolytu; Koncovým bodem půlkruhu je impedance přenosu náboje Rct; Diagonální čára představuje impedanci způsobenou difúzí Li+ uvnitř částic aktivního materiálu, což je Warburgova impedance (Dw). Z Rb a Rct: A-1
To také potvrzuje, že vnější tlak může snížit mezery mezi elektrodami a zvětšit kontaktní plochu rozhraní. Při nižším tlaku se baterie stlačí a její tloušťka se zmenší, což může snížit přechodový odpor, zkrátit přenosovou cestu Li+ a minimalizovat ztráty aktivního lithia; Kromě toho může zabránit oddělení materiálů kladných a záporných elektrod způsobené produkcí plynu během nízkonapěťového vybíjení, snížit nevratnou expanzi baterie, zachovat stabilitu kladných a záporných elektrod a zlepšit cyklický výkon baterie. Čím nižší je dolní mezní napětí výboje, tím hlubší je extrakce lithia z materiálu záporné elektrody a tím závažnější je produkce plynu baterie. Přítomnost příslušenství může účinně potlačit ztrátu aktivity Li+ způsobenou produkcí plynu, a tím zlepšit cyklický výkon baterie. To také vysvětluje, proč s postupným zvyšováním vybíjecího napětí se rozdíl v počtu cyklů mezi bateriemi s a bez příslušenství zmenšuje a zmenšuje.
Pro další pozorování změn v cyklování baterie při různých napětích byla baterie rozebrána a byly pozorovány změny v materiálech kladných a záporných elektrod.
Z morfologického hlediska není po cyklech nadměrného vybíjení žádný významný rozdíl mezi materiály kladných a záporných elektrod. Záporná elektroda se jeví jako blok, zatímco kladná elektroda se jeví jako malé částice. Přítomnost nebo nepřítomnost přípravků nemá žádný vliv na morfologii materiálů kladných a záporných elektrod. Během procesu kontinuálního mělkého nabíjení a hlubokého vybíjení se mohou měnit parametry základní buňky materiálu, zejména u materiálů záporných elektrod, což může mít za následek změny v rozestupech mezi vrstvami.
XRD analýza byla provedena na negativní elektrodě a výsledky jsou uvedeny na obrázku. Z obrázku je vidět, že ačkoli je baterie cyklována v různých napěťových rozsazích, materiálem záporné elektrody po cyklování je stále grafit a nevznikají žádné další nové látky. Ve stejném rozsahu napětí se charakteristické vrcholy záporných elektrodových desek (002) a (100) baterie bez svorek posouvají směrem k nižším úhlům, což naznačuje, že se mřížkové parametry grafitu zvyšují a mezirovinná vzdálenost se zvětšuje.
To znamená, že ve srovnání s bateriemi se svítidly se grafitová mezivrstva u baterií bez svítidel během procesu nepřetržitého nabíjení a vybíjení stále zvětšuje. Mikroskopické změny v tomto materiálu mají za následek závažnější degradaci cyklistického výkonu a také vysvětlují, proč je cyklistický výkon baterií s příslušenstvím výrazně lepší než u baterií bez příslušenství ve stejném rozsahu napětí.
2.4 Charakteristiky změn kalendářní životnosti po vybití baterie
Chcete-li dále sledovat změny kapacity baterie po dlouhodobém vybití, zachování kapacity a obnovení baterie po vybití na specifikované napětí 0,50V, 0,80 V, 1,50 V a 2,50 V po určitou dobu byly studovány.
I když je baterie skladována při nízkém napětí, nedojde k degradaci kapacity, která nemá zásadní vliv na kapacitu a nezpůsobí ztrátu kapacity v důsledku nadměrného vybití. Z metodologického hlediska lze baterii po vybití po určitou dobu ponechat a dobít malým proudem, aby se obnovila a udržela její kapacita.
3 Závěr
Na základě studia charakteristik lithium-iontových baterií používaných v datových centrech byl zkoumán vliv různých sil předpětí na přebití. Výsledky ukázaly, že:
Aplikací dvou typů předepínacích sil na baterii s a bez svorek, cyklování v šesti napěťových rozsazích {{0}}~3,65V, 0,20~3,65V , 0,50~3,65V, 0,80~3,65V, 1,50~3,65V a konvenční rozsah 2,50~3,65V, bez ohledu na ať je tam svorka, čím nižší je vybíjecí napětí baterie, tím rychleji klesá kapacita. V praktických aplikacích by se mělo co nejvíce vyhnout dlouhodobému cyklování nízkého napětí, aby se prodloužila životnost baterie.
Svítidla mohou zlepšit cyklický výkon baterií, ale jejich účinek slábne, když se zvyšuje vybíjecí napětí. Výsledky EIS, XRD a dalších testů ukazují, že přípravek může zajistit stabilitu aktivních materiálů kladné a záporné elektrody během cyklování, zmenšit mezery mezi elektrodami, zvětšit kontaktní plochu, snížit ohmický odpor, zkrátit transportní dráhu Li+, snížit aktivní lithium ztrátu, snížit nevratnou expanzi baterie a zlepšit výkonnost baterie. Experimentální výsledky mají rozhodující význam pro návrh sestavy baterie a doporučuje se, aby budoucí výzkumníci zvážili konstrukci těsné sestavy pro zlepšení výkonu baterie.
Po dlouhodobém skladování v různých rozsazích nad vybíjecím napětím nebude kapacita baterie klesat s poklesem vybíjecího vypínacího napětí. Malé doplnění proudu může zachovat a obnovit kapacitu. To poskytuje řešení problému sníženého výkonu baterie po dlouhodobém skladování.