1 Deney
1.1 Pil hazırlığı
Pozitif elektrot DY{{0}} lityum demir fosfat, iletken ajan Süper P ve bağlayıcı PVDF5130'yi 94,0:2,5:3,5 kütle oranında karıştırın, solvent NMP ekleyin ve 5 dakika karıştırın katı içeriği %(60,0 ± 1,5) ve viskozitesi 8000 mPa · s olan bir bulamaç elde etmek için saatler. Bulamacı, (330 ± 3) g/m2 yüzey yoğunluğuna sahip 16 μm kalınlığında bir alüminyum folyo üzerine kaplayın. 85 derecede 12 saat vakumlu pişirmeden sonra, elektrotu 2,20 g/cm3 sıkıştırılmış yoğunluğa kadar silindirle bastırın ve 124 mm x 121 mm boyutunda pozitif bir elektrot elde edin.
Negatif grafit, iletken karbon siyahı Süper P ve LA133 akrilonitrilini 95,5:1.0:3,5 kütle oranında karıştırın, çözücü olarak deiyonize su kullanarak bir bulamaç hazırlayın ve bunu 8 μm kalınlığında kaplayın (160 ± 2) g/m2 yüzey yoğunluğuna sahip bakır folyo. 1,45 g/cm3 sıkıştırılmış yoğunluk elde etmek için pozitif elektrot gibi kurutun ve ruloyla bastırın ve 130 mm x 127 mm boyutunda bir negatif elektrot sayfası elde edin.
Pozitif ve negatif elektrotların istiflenmesinden sonra, 60Ah nominal kapasiteye sahip 36130145 alüminyum kabuk LFP lityum iyon dolu pil, bunların bir kapak alüminyum kabuk ile kapsüllenmesiyle hazırlandı. 85 derecede 12 saat pişirildikten sonra elektrolit enjekte edildi. Hazırlanan pil kimyasal dönüşüme ve kapasite bölünmesine tabi tutulur. Oluşturma adımları: 80 dakika boyunca 0,05C'de şarj edin, ardından maksimum 3,65V şarj voltajıyla 150 dakika boyunca 0,10C'de şarj edin. Kapasite bölme adımı: Yaşlandırma için 45 derecede 12 saat bekletin, ardından 2,50V alt limit voltajıyla 0,20C'de boşaltın.
1.2 Morfoloji ve Yapı Analizi
Taramalı elektron mikroskobu kullanarak malzemenin mikro yapısını gözlemleyin. Malzemelerin yapısal değişikliklerini analiz etmek için X-ışını difraktometresini kullanın.
1.3 Elektrokimyasal Performans Testi
Bir elektrokimyasal iş istasyonu kullanarak pilin EIS'sini test edin. Pilin performansını test etmek için 5V ve 100~50{{10}}A aralığında yüksek hassasiyetli bir pil test cihazı kullanın. Geleneksel kapasite test yöntemi: 1,00C ile 3,65V arası sabit bir akımla şarj edin, ardından sabit bir voltaja geçin ve 0,05C'ye ulaşılana kadar şarj edin; 0,5 saat bekletin, 1,00C ile 2,50V arasında boşaltın, 0,5 saat bekletin, 3 kez döngü yapın.
Pil döngüsü test yöntemi: 1,00C ila 3,65V sabit akımda şarj edin, ardından 0.05C kesintiye kadar sabit voltaj şarjına geçin. Sırasıyla 1.00C, 2.{{10}}C ve 5.00C'de 2,50V'ye boşaltın, döngüyü tekrarlayın, bırakın 1000 kez dönene kadar ortada {{30}},5 saat oturun. Pil aşırı deşarj testi yöntemi: Referans şarj deşarj hızı, şarj için 1,00C ve deşarj için 1,00C'dir ve aşırı deşarj voltajları 0-3,65V, 0,20-3,65V'dir, Sırasıyla 0.50-3.65V, 0.80-3.65V ve 1.50-3.65V. Geleneksel voltaj 2,50~3,65V'dir. Akü hücresinin düzlemine (1400 ± 200) N'lik bir ön sıkma kuvveti uygulamak için bir fikstür kullanılır; Fikstür yok, akü hücresine 0N'lik bir ön yükleme kuvveti uygulamak anlamına gelir.
Pil raf ömrü test yöntemi: ① 0,50C sabit akımla 3,65V'a şarj edin, 0'ye sabit voltaj şarjına geçin.05C kesme , 0,5 saat bekletin, 78{{20}}W - 2,50V arasında boşaltın, kayıt kapasitesi 1; ② 0,5 saat bekletin, 0,50C sabit akımda 3,65V şarj edin, 0,05C kesintiye kadar sabit voltaj şarjına geçin, 0,5 saat bekletin, 780W'ta belirtilen voltaja (1,50V, 0,80V, 0,50V) boşaltın, belirtilen süre için ayırın, şarj edin 0,10C sabit akımda 3,65V, 0,05C kesmeye kadar sabit voltaj şarjına geçin, 0,5 saat bekletin ve 780W'ta 2,50V'ye boşaltın, deşarj kapasitesini kaydedin 2; ③ 1. adımı tekrarlayın, boşaltma kapasitesi 3'ü kaydedin ve 1 ila 3. adımları tekrarlayın. Bunlar arasında, kapasite 2'nin kapasite 1'e oranı tutma oranıdır ve kapasite 3'ün kapasite 1'e oranı iyileşme oranıdır.
2 Sonuçlar ve Tartışma
2.1 Farklı büyütmelerde döngü performansı
Deney, veri merkezinde kullanılan bir pil temel alınarak gerçekleştirilmiş olup, pilin hız çevrim performansı Şekil 1'de gösterilmektedir. Şekilden görüldüğü gibi, aynı şarj oranıyla 2{{3 sonra 2.00C ve 5.00C'de }}0 deşarj döngüsü, kapasite sırasıyla %14 ve %20 azalır. 1,00C deşarj döngüsüyle karşılaştırıldığında kapasite %12 oranında azalır; bu sırasıyla yüzde 2 ve yüzde 8 puan daha düşüktür. Döngü performansı açısından bakıldığında piller uzun süre döngü yapma özelliğine sahiptir.
2.2 Farklı voltaj aralıklarında aşırı deşarj döngüsü performansının özellikleri
Farklı voltaj aralıklarında alüminyum kabuklu pillerin aşırı deşarj özelliklerini incelemek için piller üzerinde sürekli döngü testleri yapıldı; değişkenler voltaj aralığı ve pilin döngü sırasındaki durumuydu: armatürlerle veya donanımsız. Pilleri ayrı ayrı numaralandırın ve pillerdeki değişiklikler ve başlangıç durumları için Tablo 1'e bakın. Pillerin şarj durumu (SOC) %30'dur. %30 SOC'de Tablo 1'de listelenen 12 pil grubunun başlangıç voltajı, iç direnci ve kalınlığından deneysel pillerin tutarlılığı iyidir.
Pil üzerinde sürekli döngüsel test gerçekleştirin; zayıflama eğrisi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Bataryanın herhangi bir armatürü olmadığında, aşırı deşarj derecesi arttıkça bataryanın çevrim performansının giderek bozulduğu görülmektedir. Akünün deşarj kesme gerilimleri 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V ve 0V olduğunda, pilin döngü sayısı ve kapasite tutma oranı 1000 döngüden sonra %94,07, 1000 döngüden sonra %80,00'dir, 648 döngüden sonra %74,93, 360 döngüden sonra %67,72, 119 döngüden sonra %63,26 ve 145 döngüden sonra %61,85.
Alt limit voltajı 1,00V azaldığında (2,50V'den 1,50V'ye), zayıflama oranı aynı döngü sayısı altında %14 artar; Alt limit voltajı 1,70V düştüğünde (2,50V'tan 0,80V'a), çevrim ömrü yalnızca 648 kat olur; Pil 0V'a boşaltıldığında ise çevrim ömrü 145 katına düşüyor. Deşarjın alt limit voltajındaki azalma, akünün çevrim ömrü üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Pilin şarj ve deşarj voltaj aralığını genişletmek, örneğin voltajın 2,50~3,65V'tan 0~3,65V'a değişmesi durumunda kapasitesini artırabilir. Akü kapasitesi 4Ah artırıldı.
Armatürlerle bile piller, armatürsüz olanlarla aynı performans modellerini sergiler. Akünün deşarj voltajı ne kadar düşük olursa çevrim ömrü o kadar kısa olur. 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V ve 0V deşarj kesme gerilimlerinde, döngü sayısı ve pilin tutulma oranları 1000 döngüden sonra %96,03, 928 döngüden sonra %86%73, %84,46'dır. 733 döngüden sonra sırasıyla %81,95, 741 döngüden sonra %81,95, 598 döngüden sonra %61,28 ve 647 döngüden sonra %60,08.
2.3 Farklı ön yükleme kuvvetleri altında aşırı deşarj döngüsü performansının özellikleri
Ön sıkma kuvvetiyle veya ön sıkma kuvveti olmadan akünün aşırı deşarj derecesi ne kadar derin olursa, çevrim ömrü o kadar kötü olur. Armatürlerin varlığının veya yokluğunun pil performansı üzerindeki etkisini daha ayrıntılı olarak inceleyin. Verileri analiz ederek, aynı çalışma koşulları altında armatürlü ve armatürsüz akülerin döngüsel performansını karşılaştırın.
Akünün gerçek çevrim voltaj aralığı ne olursa olsun, armatürlü akülerin çevrim performansı, armatürsüz olanlara göre daha üstündür. Ancak deşarj voltajının alt sınırı artmaya devam ettikçe armatürlerin akü çevrim performansı üzerindeki etkisi giderek azalmaktadır. {{0}}~3,65V arasında armatürlerle pil ömrü 647 kat, armatürler olmadan pil ömrü 145 kat, yani 502 kat fark; 0.20-3.65V'de armatürlerle pil ömrü 598 kat, armatürler olmadan pil ömrü ise 119 kat, yani 479 kat fark; 0.50-3.65V'de, armatürsüz pilin kapasite tutma oranı 360 döngüden sonra %67,72 iken, armatürlü pilin kapasite tutma oranı %90.00'dır; 0.80-3.65V'de, armatürsüz pilin kapasite tutma oranı 500 döngüden sonra %80.00 iken armatürlü pilin kapasite tutma oranı 92.00'dir. %; 1.50-3.65V'de, armatürler olmadan pilin kapasite tutma oranı 928 döngüden sonra %84.55 olurken, armatürler ile birlikte pilin kapasite tutma oranı %86.73 oldu; bu artış şu şekildedir: Kapasiteyi korumada yüzde 2,18 puan; 2.50-3.65V'de armatürsüz akünün 1000 döngü sonrasında kapasite tutma oranı %94,07, armatürlü akünün kapasite tutma oranı ise %96,03'tür.
Deşarj voltajının alt sınırı arttıkça, armatürlerin akü çevrim performansı üzerindeki etkisi giderek zayıflar ve bu durum, armatürlü ve armatürsüz akülerin kapasite tutma farkının daralması olarak kendini gösterir. Bu durum armatürlerin akü çevrim performansı üzerindeki iyileştirici etkisinin daha yüksek voltaj aralıklarında zayıfladığını göstermektedir.
Bazı şemalar için çevrimin sonraki aşamalarında armatürlü ve armatürsüz bataryalar (A, B, C, F grubu vb.) üzerinde EIS testi gerçekleştirilmiş olup, sonuçlar Şekil 3'te gösterilmektedir. empedans spektrumu yarım dairesi, elektrot ile elektrolit arayüzü arasındaki arayüz empedansı Rb'dir; Yarım dairenin uç noktası yük transfer empedansı Rct'dir; Çapraz çizgi, Warburg empedansı (Dw) olan, Li+'nın aktif madde parçacıkları içindeki difüzyonunun neden olduğu empedansı temsil eder. Rb ve Rct'den: A-1
Bu aynı zamanda harici basıncın elektrot arayüz boşluklarını azaltabildiğini ve arayüz temas alanını artırabildiğini de doğrulamaktadır. Daha düşük basınç altında pil sıkıştırılacak ve kalınlığı azalacak, bu da temas direncini azaltabilecek, Li+ iletim yolunu kısaltabilecek ve aktif lityum kaybını en aza indirebilecektir; Ek olarak, düşük voltajlı deşarj sırasında gaz üretiminden kaynaklanan pozitif ve negatif elektrot malzemelerinin ayrılmasını önleyebilir, pilin geri dönüşü olmayan genleşmesini azaltabilir, pozitif ve negatif elektrotların stabilitesini koruyabilir ve pilin döngü performansını artırabilir. Deşarj alt limit voltajı ne kadar düşük olursa, negatif elektrot malzemesinin lityum ekstraksiyonu o kadar derin olur ve pilin gaz üretimi o kadar şiddetli olur. Armatürlerin varlığı, gaz üretiminden kaynaklanan Li+aktivite kaybını etkili bir şekilde bastırabilir, böylece pilin döngü performansını artırabilir. Bu aynı zamanda deşarj gerilimi kademeli olarak arttıkça armatürlü ve armatürsüz akülerin döngü sayısı arasındaki farkın neden giderek azaldığını da açıklamaktadır.
Farklı voltajlarda pil döngüsündeki değişiklikleri daha ayrıntılı gözlemlemek için pil sökülerek pozitif ve negatif elektrot malzemelerindeki değişiklikler gözlemlendi.
Morfolojik açıdan bakıldığında, aşırı deşarj döngülerinden sonra pozitif ve negatif elektrot malzemeleri arasında önemli bir fark yoktur. Negatif elektrot bir blok halinde görünürken, pozitif elektrot küçük parçacıklar halinde görünür. Fikstürlerin varlığının veya yokluğunun pozitif ve negatif elektrot malzemelerinin morfolojisi üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Sürekli sığ yükleme ve derin boşaltma işlemi sırasında, malzemenin birim hücre parametreleri, özellikle negatif elektrot malzemeleri için değişebilir ve bu da katmanlar arası boşlukta değişikliklere neden olabilir.
Negatif elektrot üzerinde XRD analizi yapıldı ve sonuçlar şekilde gösterilmiştir. Şekilden pilin farklı voltaj aralıklarında çevrilmesine rağmen döngüden sonra negatif elektrot malzemesinin hala grafit olduğu ve başka yeni madde üretilmediği görülmektedir. Aynı voltaj aralığında, kelepçesiz pilin negatif elektrot plakalarının (002) ve (100) karakteristik tepe noktaları daha düşük açılara doğru kayar, bu da grafitin kafes parametrelerinin arttığını ve düzlemler arası aralığın arttığını gösterir.
Bu, armatürlü akülerle karşılaştırıldığında, sabit olmayan akülerin grafit ara katman aralığının sürekli şarj ve deşarj işlemi sırasında artmaya devam ettiği anlamına gelir. Bu malzemedeki mikroskobik değişiklikler, döngü performansında daha ciddi bir bozulmaya neden olur ve aynı zamanda, aynı voltaj aralığında armatürlü pillerin döngü performansının, armatürsüz pillerinkinden neden önemli ölçüde daha iyi olduğunu da açıklar.
2.4 Pilin aşırı deşarjı sonrasında takvim ömrü değişikliklerinin özellikleri
Uzun süreli aşırı deşarj sonrasında pilin kapasite değişikliklerini daha ayrıntılı olarak gözlemlemek için, pilin belirtilen 0,50V, 0,80V, 1,50 voltajına kadar boşaltıldıktan sonra kapasitesinin korunması ve geri kazanılması Belirli bir süre V ve 2.50V üzerinde çalışıldı.
Akü düşük voltajda saklansa bile kapasite kaybı yaşanmayacak, bu da kapasite üzerinde önemli bir etkiye sahip olmayacak ve aşırı deşarjdan dolayı kapasite kaybına neden olmayacaktır. Metodolojik açıdan bakıldığında, pil aşırı deşarj olduktan sonra, bir süreliğine bırakılabilir ve kapasitesini geri yüklemek ve korumak için küçük bir akımla yeniden şarj edilebilir.
3 Sonuç
Veri merkezlerinde kullanılan lityum iyon pillerin özelliklerinin incelenmesine dayanarak, farklı ön yükleme kuvvetlerinin aşırı deşarj üzerindeki etkisi araştırıldı. Sonuçlar şunu gösterdi:
Aküye kelepçeli ve kelepçesiz iki tür ön sıkma kuvveti uygulayarak, {{0}}~3,65V, 0,20~3,65V'lik altı voltaj aralığında döngü yaparak , 0,50~3,65V, 0,80~3,65V, 1,50~3,65V ve geleneksel 2,50~3,65V aralığı, olup olmadığına bakılmaksızın bir kelepçe var, akünün deşarj kesme voltajı ne kadar düşükse, kapasitenin azalması o kadar hızlı olur. Pratik uygulamalarda akünün ömrünü uzatmak için uzun süreli düşük voltaj döngüsünden mümkün olduğunca kaçınılmalıdır.
Armatürler akülerin çevrim performansını arttırabilir ancak deşarj kesme gerilimi arttıkça etkileri zayıflar. EIS, XRD ve diğer testlerin sonuçları, fikstürün döngü sırasında pozitif ve negatif elektrot aktif malzemelerinin stabilitesini sağlayabildiğini, elektrot arayüz boşluklarını azaltabildiğini, temas alanını artırabildiğini, ohmik direnci düşürebildiğini, Li+taşıma yolunu kısaltabildiğini, aktif lityumu azaltabildiğini göstermektedir. kaybı, pilin geri dönüşü olmayan genleşmesini azaltın ve pil döngüsü performansını artırın. Deneysel sonuçlar pil düzeneği tasarımı için yol gösterici öneme sahiptir ve gelecekteki araştırmacıların pil performansını artırmak için sıkı düzenek tasarımını düşünmeleri önerilir.
Farklı aşırı deşarj voltajı aralıklarında uzun süreli depolamadan sonra, deşarj kesme voltajının azalmasıyla akü kapasitesi azalmayacaktır. Küçük akım ikmali kapasiteyi koruyabilir ve geri yükleyebilir. Bu, uzun süreli depolama sonrasında pil performansının azalması sorununa bir çözüm sağlar.