Ο αντίκτυπος των παραμέτρων της διαδικασίας σχηματισμού στην απόδοση της μπαταρίας

Ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει τις επιδόσεις των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι το στερεό φιλμ διαφάνειας ηλεκτρολύτη (SEI) που σχηματίζεται στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου από την αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη.Το φιλμ SEI σχηματίζεται κατά τον πρώτο κύκλο φόρτισης-αφόρτισης της διαδικασίας σχηματισμού της μπαταρίαςΗ σταθερή ταινία SEI προστατεύει το αρνητικό ηλεκτρόδιο από την κατανάλωση κατά την επακόλουθη αποσύνθεση των ηλεκτρολυτών και εμποδίζει την απόρριψη γραφίτη.εξοπλισμός σχηματισμού μπαταριώνείναι μια κρίσιμη μηχανή στη διαδικασία κατασκευής μπαταριών ιόντων λιθίου.

Η διαδικασία σχηματισμού περιλαμβάνει την υποβολή μιας ειδικής μπαταρίας, μετά την εισαγωγή ηλεκτρολύτη και την καθιέρωση, στον πρώτο κύκλο φόρτισης-αφόρτισης, σχηματίζοντας το φύλλο SEI στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτρόδου.Η διαδικασία σχηματισμού της μπαταρίας περιλαμβάνει κυρίως τέσσερα μέρη: ανοιχτή φόρτιση (προφόρτιση ή εξαερισμός), κλειστή φόρτιση, κλειστή γήρανση και κλειστή εκφόρτιση.και αυτές οι διαφορετικές καταστάσεις της ταινίας SEI έχουν διαφορετικές επιπτώσεις στην απόδοση της μπαταρίαςΩς εκ τούτου, οι διαφορετικές διαδικασίες σχηματισμού έχουν διαφορετικές επιδράσεις στις επιδόσεις των μπαταριών ιόντων λιθίου.χρόνος σχηματισμού φορτίου-αποφόρτισηςΗ απόδοση της μπαταρίας περιλαμβάνει κυρίως την απόδοση του κύκλου, την τάση, την εσωτερική αντίσταση, τηνκαι απόδοση αποθήκευσης σε υψηλές θερμοκρασίες.

1Η επίδραση του ρεύματος φόρτισης/αφόρτισης σχηματισμού στις επιδόσεις της μπαταρίας

Το ρεύμα φόρτισης/αφόρτισης σχηματισμού περιλαμβάνει κυρίως το πρώτο μέρος (φόρτιση ανοιχτού κυκλώματος ή εξαερισμός) ρεύματος, το δεύτερο μέρος (φόρτιση κλειστού κυκλώματος),και το τέταρτο μέρος (εκφόρτιση κλειστού κυκλώματος).

Το πρώτο μέρος, το σχηματισμό ανοικτού κυκλώματος (προπληρωμή ή εξαγωγή), περιλαμβάνει κυρίως τη φόρτιση χαμηλού ρεύματος για να σχηματιστεί ένα σταθερό και πυκνό φιλμ SEI,που επιτρέπουν την αποφυγή αερίων που παράγονται από την αντίδραση των πρόσθετων στο ηλεκτρολύτηΕπιπλέον, ο τύπος και η ποσότητα των πρόσθετων ηλεκτρολυτών, το δυναμικό αντίδρασης, η ποιότητα των συσσωρευτών και η ποιότητα των συσσωρευτών,και ο χρόνος όλα επηρεάζουν την απαιτούμενη τιμή χρέωσηςΩς εκ τούτου, αυτό το στάδιο χρησιμοποιεί κυρίως μια σταδιακή λειτουργία φόρτισης, δηλαδή μια χαμηλή φόρτιση ρεύματος στο πρώτο στάδιο, με τα επόμενα βήματα να αυξάνουν το ρεύμα με βάση το προηγούμενο βήμα.

Το δεύτερο μέρος, το σχηματισμό κλειστού κυκλώματος, περιλαμβάνει κυρίως την αύξηση του ρεύματος φόρτισης με βάση το πρώτο μέρος.και έχει σχηματιστεί ένα πυκνό SEI φιλμΩστόσο, ένα υπερβολικά πυκνό φιλμ SEI μπορεί να επηρεάσει τη μεταφορά ιόντων λιθίου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αντίδρασης.Το ρεύμα πρέπει να αυξάνεται σταδιακά για να επιτρέπεται η μετάβαση της σχηματισμένης ταινίας SEI από πυκνή σε πορώδη.Η αύξηση του ρεύματος φόρτισης μπορεί να μειώσει το χρόνο φόρτισης της μπαταρίας και να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα της παραγωγής.βλάπτουν την ταινία SEI και την προκαλούν να διαλυθεί και να ανασχηματιστείΑυτό οδηγεί σε αποσύνθεση της χωρητικότητας της μπαταρίας, σε κακή απόδοση του κύκλου και ακόμη και σε ατυχήματα ασφάλειας.

Το τέταρτο μέρος, η κλειστή εκφόρτιση, περιλαμβάνει την πρώτη εκφόρτιση μιας πλήρως φορτισμένης μπαταρίας, ολοκληρώνοντας ολόκληρη τη διαδικασία ενεργοποίησης της μπαταρίας.η ταινία SEI στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου σχηματίζεται βασικά, έτσι ώστε το ρεύμα εκφόρτωσης για αυτό το μέρος μπορεί να είναι ίσο ή ελαφρώς μεγαλύτερο από το ρεύμα φόρτισης στο δεύτερο μέρος.καθώς αυτό θα οδηγήσει σε σοβαρή πόλωση της μπαταρίας και υπερβολικά γρήγορη αύξηση της θερμοκρασίαςΕπιπλέον, για να εξασφαλιστεί η συνέπεια της μπαταρίας, πρέπει να εκτελείται εκφόρτιση μικρού ρεύματος μετά την εκφόρτιση μεγάλου ρεύματος.

2Η επίδραση του χρόνου φόρτισης-αφόρτισης σχηματισμού στην απόδοση της μπαταρίας

Ο χρόνος σχηματισμού φόρτισης-αποφόρτισης περιλαμβάνει κυρίως το πρώτο μέρος, τον χρόνο ανοικτής φόρτισης (προφόρτισης ή εξαερισμού), το δεύτερο μέρος, τον χρόνο κλειστής φόρτισης και το τέταρτο μέρος,χρόνος εκφόρτωσης κλειστού σημείου.

Το πρώτο μέρος, ο χρόνος ανοικτής φόρτισης (προφόρτισης ή εξαερισμού), είναι χρόνος φόρτισης με μικρό ρεύμα και δεν πρέπει να είναι υπερβολικά μακρύς,επειδή η παρατεταμένη φόρτιση με μικρό ρεύμα θα αυξήσει την αντίσταση του σχηματισμένου φιλμ SEI και θα αυξήσει την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίαςΜελετώντας τον αντίκτυπο του χρόνου φόρτισης σχηματισμού στις επιδόσεις της μπαταρίας σε μπαταρίες φωσφορικού καθοδίου λιθίου σιδήρου και ανόδου γραφίτη,διαπιστώθηκε ότι η κατάλληλη μείωση του χρόνου σχηματισμού υπό το ίδιο ρεύμα φόρτισης είναι ευεργετική για το σχηματισμό του φιλμ SEI στην επιφάνεια του ανόδου της μπαταρίαςΗ επιφάνεια του άνωδου που χρησιμοποιεί αυτή τη μέθοδο φόρτισης είναι ομαλή, βελτιώνοντας αποτελεσματικά την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας, την απόδοση κύκλου και την απόδοση αποθήκευσης σε υψηλές θερμοκρασίες.

Το δεύτερο μέρος, ο χρόνος φόρτισης κλειστού τερματισμού, χωρίς περιορισμούς τάσης, οδηγεί σε υπερφόρτιση εάν φορτίζεται για πολύ καιρό,ενώ οι σύντομοι χρόνοι φόρτισης οδηγούν σε ελλιπή ενεργοποίηση των ενεργών υλικών στα εσωτερικά ηλεκτρόδια της μπαταρίαςΩς εκ τούτου, αυτό το μέρος του χρόνου φόρτισης θα πρέπει να ελέγχεται σε συνδυασμό με την τάση διακοπής φόρτισης.

Το τέταρτο μέρος, ο χρόνος έκρηξης κλειστού τερματισμού, σχετίζεται με το βάθος έκρηξης της μπαταρίας.Όσο βαθύτερη είναι η έκκριση, που οδηγεί σε υπερβολική αποδέσμευση και συντομότερη διάρκεια ζωής.

3. Επιπτώσεις της τάσης διακοπής φόρτισης/αποφόρτισης σχηματισμού στις επιδόσεις της μπαταρίας

Το πρώτο μέρος, η τάση διακοπής της ανοιχτής φόρτισης (προσχηματισμού), είναι η τάση διακοπής μετά την προφόρτιση.Οι ακαθαρσίες περιλαμβάνουν την υγρασίαΗ τάση διακοπής σχηματισμού επηρεάζει την πορεία αντίδρασης του σχηματισμού φιλμ SEI.

Το δεύτερο μέρος αφορά τη σφραγισμένη τάση κοπής φόρτισης, η οποία είναι η τάση με την οποία η μπαταρία φορτίζεται πλήρως.που προκαλεί απελευθέρωση υπερβολικών ιόντων λιθίου από το ενεργό υλικό του θετικού ηλεκτρόδου και αποθέτει στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτρόδουΗ υπερφόρτιση προκαλεί επίσης τη διάσπαση του θετικού ηλεκτρόδου, απελευθερώνοντας οξυγόνο, ο οποίος είναι καταλύτης για την διάσπαση των ηλεκτρολυτών.ο διαλύτης ηλεκτρολύτη αντιδρά με το ενεργό λίθιο που αποθηκεύεται στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτρόδου, με αποτέλεσμα την απώλεια του ενεργού υλικού του θετικού ηλεκτροδίου και την αποσύνθεση της χωρητικότητας της μπαταρίας.

Το τέταρτο μέρος αφορά τη σφραγισμένη τάση αποδέσμευσης, η οποία είναι η τάση ελέγχου για την πρώτη πλήρη αποδέσμευση της μπαταρίας.διάβρωση του συλλέκτη αρνητικού ηλεκτροδίου ρεύματοςΗ ανασυσταθείσα ταινία SEI έχει κακή απόδοση,αύξηση της αντίστασης της μπαταρίας και της πόλωσης στο τέλος της φόρτισης και της εκφόρτισης, με αποτέλεσμα μειωμένη απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης και φτωχότερη απόδοση κύκλου. Experimental studies on the thermal performance of SONY 18650 lithium-ion batteries under overcharge and over-discharge conditions revealed that the battery voltage drops rapidly during the over-discharge phaseΜετά από περίπου 250 δευτερόλεπτα, η τάση και το ρεύμα της μπαταρίας πέφτουν σε σχεδόν 0V και 0mA, αντίστοιχα.Αυτός είναι ένας μηχανισμός αυτοπροστασίας της μπαταρίας για την πρόληψη της υπερφόρτισης και της υπερθέρμανσης.

4Επιπτώσεις του χρόνου γήρανσης και της θερμοκρασίας στην απόδοση της μπαταρίας

Ο χρόνος γήρανσης είναι το διάστημα μεταξύ της πρώτης φόρτισης και της πρώτης εκφόρτισης.που επηρεάζει σημαντικά την χωρητικότητα και την αντίσταση της μπαταρίαςΟι μελέτες που χρησιμοποίησαν 18650 μπαταρίες ιόντων λιθίου για να ερευνήσουν την επίδραση του χρόνου ανάπαυσης στην απόδοση κύκλου των μπαταριών ιόντων λιθίου έδειξαν σημαντική επίδραση.Οι μπαταρίες με χρόνο ανάπαυσης ≤ 2h δεν παρουσίασαν σημαντική διαφορά στην απόδοση κύκλου και στην αντίσταση σε σύγκριση με αυτές χωρίς χρόνο ανάπαυσης..

Η επίδραση της θερμοκρασίας στις επιδόσεις της μπαταρίας εκδηλώνεται κυρίως στην επιταχυνόμενη αποσύνθεση των ηλεκτρολυτών και των πρόσθετων υλών, στην πάχυνση του φιλμ SEI στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτρόδου,και αυξημένη εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας καθώς η θερμοκρασία αυξάνεταιΤο κύριο συστατικό του ηλεκτρολύτη μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι το LiPF6. Σε υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες, το LiPF6 υποβάλλεται σε θερμική αποσύνθεση, δημιουργώντας PF5.Το PF5 αντιδρά περαιτέρω με το νερό στο ηλεκτρολύτη για να σχηματίσει HFΗ HF είναι σημαντική αιτία διάλυσης του σιδήρου στο υλικό της καθοδικής μονάδας.

Για τη βελτίωση της απόδοσης του κύκλου σε υψηλές θερμοκρασίες των μπαταριών ιόντων λιθίου, στο ηλεκτρολύτη προστίθεται δισουλφονικό μεθυλένιο (MMDS).Το MMDS βελτιώνει σημαντικά την απόδοση κύκλου της μπαταρίας τόσο σε θερμοκρασία δωματίου όσο και σε υψηλές θερμοκρασίεςΩστόσο, η πρόσθετη αυτή ουσία είναι ευαίσθητη στη θερμοκρασία· η χρήση και η αποθήκευση σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να προκαλέσουν αύξηση του χρώματος και της οξύτητας της,που επηρεάζουν τις επιδόσεις της μπαταρίαςΩς εκ τούτου, η θερμοκρασία αποθήκευσης του ηλεκτρολύτη, η θερμοκρασία καθιέρωσης μετά τη γέμιση, και η θερμοκρασία εξάτμισης και σχηματισμού της μπαταρίας πρέπει να ελέγχονται αυστηρά για να αποφευχθεί η βλάβη του MMDS..