ශීත ඍතුව පැමිණේ, ලිතියම්-අයන බැටරිවල අඩු උෂ්ණත්ව විශ්ලේෂණ සංසිද්ධිය දෙස බලන්න

ලිතියම්-අයන බැටරි වල ක්‍රියාකාරිත්වයට ඒවායේ චාලක ලක්ෂණ බෙහෙවින් බලපායි. Li+ මිනිරන් ද්‍රව්‍යයේ තැන්පත් කළ විට ප්‍රථමයෙන් විජලනය වීමට අවශ්‍ය වන බැවින්, එයට යම් ශක්ති ප්‍රමාණයක් වැය කිරීමට අවශ්‍ය වන අතර Li+ මිනිරන් තුළට විසරණය වීම වළක්වයි. ඊට ප්රතිවිරුද්ධව, Li+ ග්රැෆයිට් ද්රව්යයෙන් ද්රාවණයට මුදා හරින විට, විසඳුමේ ක්රියාවලිය මුලින්ම සිදුවනු ඇත, සහ විසඳුම් ක්රියාවලිය බලශක්ති පරිභෝජනය අවශ්ය නොවේ. Li+ හට මිනිරන් ඉක්මනින් ඉවත් කළ හැකි අතර, මිනිරන් ද්‍රව්‍ය සැලකිය යුතු ලෙස දුර්වල ආරෝපණ පිළිගැනීමකට මග පාදයි. විසර්ජන පිළිගැනීමේ දී.

අඩු උෂ්ණත්වවලදී, සෘණ ග්රැෆයිට් ඉලෙක්ට්රෝඩයේ චාලක ලක්ෂණ වැඩිදියුණු වී වඩාත් නරක අතට හැරේ. එබැවින්, ආරෝපණ ක්රියාවලියේදී සෘණ ඉලෙක්ට්රෝඩයේ විද්යුත් රසායනික ධ්රැවීකරණය සැලකිය යුතු ලෙස තීව්ර වන අතර, සෘණ ඉලෙක්ට්රෝඩයේ මතුපිට ලෝහමය ලිතියම් වර්ෂාපතනයට පහසුවෙන් හේතු විය හැක. ජර්මනියේ මියුනිච් හි තාක්ෂණික විශ්ව විද්‍යාලයේ ක්‍රිස්ටියන් වොන් ලුඩර්ස් විසින් කරන ලද පර්යේෂණයකින් පෙන්නුම් කර ඇත්තේ -2 ° C දී ආරෝපණ අනුපාතය C/2 ඉක්මවන අතර ලෝහ ලිතියම් වර්ෂාපතන ප්‍රමාණය සැලකිය යුතු ලෙස වැඩි වන බවයි. උදාහරණයක් ලෙස, C/2 අනුපාතය අනුව, ප්‍රතිවිරුද්ධ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ මතුපිට ලිතියම් ප්ලේටින් ප්‍රමාණය සම්පූර්ණ ආරෝපණය පමණ වේ. ධාරිතාවයෙන් 5.5% නමුත් 9C විශාලනය යටතේ 1% දක්වා ළඟා වනු ඇත. අවක්ෂේපිත ලෝහමය ලිතියම් තවදුරටත් වර්ධනය වී අවසානයේ ලිතියම් ඩෙන්ඩ්‍රයිට් බවට පත් විය හැකි අතර, ප්‍රාචීරය හරහා සිදුරු වී ධන සහ සෘණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩවල කෙටි පරිපථයක් ඇති කරයි. එමනිසා, හැකිතාක් අඩු උෂ්ණත්වවලදී ලිතියම්-අයන බැටරිය ආරෝපණය කිරීමෙන් වැළකී සිටීම අවශ්ය වේ. අඩු උෂ්ණත්වයකදී බැටරිය ආරෝපණය කළ යුතු විට, ලිතියම් අයන බැටරිය හැකිතාක් ආරෝපණය කිරීම සඳහා කුඩා ධාරාවක් තෝරා ගැනීම අත්‍යවශ්‍ය වන අතර සෘණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩයෙන් ලෝහමය ලිතියම් අවක්ෂේප කිරීම සහතික කිරීම සඳහා ආරෝපණය කිරීමෙන් පසු ලිතියම් අයන බැටරිය සම්පූර්ණයෙන්ම ගබඩා කළ යුතුය. මිනිරන් සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කළ හැකි අතර සෘණ ග්‍රැෆයිට් ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ නැවත තැන්පත් කළ හැක.

මියුනිච් හි තාක්ෂණික විශ්ව විද්‍යාලයේ වෙරෝනිකා සින්ත් සහ අනෙකුත් අය නියුට්‍රෝන විවර්තනය සහ අනෙකුත් ක්‍රම භාවිතා කර ලිතියම් අයන බැටරි වල ලිතියම් පරිණාමයේ හැසිරීම -20 ° C අඩු උෂ්ණත්වයකදී අධ්‍යයනය කළහ. නියුට්‍රෝන විවර්තනය මෑත වසරවල නව හඳුනාගැනීමේ ක්‍රමයකි. XRD සමඟ සසඳන විට, නියුට්‍රෝන විවර්තනය ආලෝක මූලද්‍රව්‍යවලට (Li, O, N, ආදිය) වඩා සංවේදී වේ, එබැවින් ලිතියම්-අයන බැටරිවල විනාශකාරී නොවන පරීක්ෂණ සඳහා එය ඉතා යෝග්‍ය වේ.

අත්හදා බැලීමේදී, වෙරෝනිකාසින්ත් විසින් අඩු උෂ්ණත්වවලදී ලිතියම්-අයන බැටරිවල ලිතියම් පරිණාමයේ හැසිරීම අධ්‍යයනය කිරීම සඳහා NMC111/graphite 18650 බැටරිය භාවිතා කළේය. පහත රූපයේ දැක්වෙන ක්‍රියාවලියට අනුව පරීක්ෂණය අතරතුර බැටරිය ආරෝපණය කර මුදා හරිනු ලැබේ.

C/30 අනුපාත ආරෝපණයේදී දෙවන ආරෝපණ චක්‍රය තුළ විවිධ SoC යටතේ සෘණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ අදියර වෙනස් වීම පහත රූපයේ දැක්වේ. එය 30.9% SoC දී, සෘණ ඉලෙක්ට්රෝඩයේ අදියර ප්රධාන වශයෙන් LiC12, Li1-XC18, සහ LiC6 සංයුතිය කුඩා ප්රමාණයක් බව පෙනේ; SoC 46% ඉක්ම වූ පසු, LiC12 හි විවර්තන තීව්‍රතාවය දිගටම අඩු වන අතර LiC6 හි බලය දිගටම වැඩි වේ. කෙසේ වෙතත්, අවසාන ආරෝපණය අවසන් වූ පසුව පවා, අඩු උෂ්ණත්වයකදී 1503mAh පමණක් ආරෝපණය වන බැවින් (කාමර උෂ්ණත්වයේ දී ධාරිතාව 1950mAh වේ), LiC12 සෘණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ පවතී. ආරෝපණ ධාරාව C/100 දක්වා අඩු වී ඇතැයි සිතමු. එම අවස්ථාවේ දී, බැටරිය තවමත් අඩු උෂ්ණත්වවලදී 1950mAh ධාරිතාවක් ලබා ගත හැකි අතර, අඩු උෂ්ණත්වවලදී ලිතියම්-අයන බැටරිවල බලය අඩු වීම ප්රධාන වශයෙන් චාලක තත්ත්වයන් පිරිහීම නිසා බව පෙන්නුම් කරයි.

පහත රූපයේ දැක්වෙන්නේ -5 ° C හි අඩු උෂ්ණත්වයකදී C/20 අනුපාතයට අනුව ආරෝපණය කිරීමේදී සෘණ ඉලෙක්ට්රෝඩයේ මිනිරන් වල අදියර වෙනස් වීමයි. C/30 අනුපාත ආරෝපණයට සාපේක්ෂව ග්‍රැෆයිට් වල අදියර වෙනස් වීම සැලකිය යුතු ලෙස වෙනස් බව පෙනේ. SoC>40% විට, C/12 ආරෝපණ අනුපාතය යටතේ LiC5 බැටරියේ අදියර ශක්තිය සැලකිය යුතු ලෙස මන්දගාමී වන අතර, LiC6 අදියර ප්‍රබලතාවය C/30 ට වඩා සැලකිය යුතු ලෙස දුර්වල වන බව රූපයෙන් පෙනේ. ගාස්තු අනුපාතය. එය පෙන්නුම් කරන්නේ C/5 හි සාපේක්ෂ ඉහළ අනුපාතයකින්, LiC12 අඩු ලිතියම් අන්තර් සම්බන්ධිතව දිගටම LiC6 බවට පරිවර්තනය වන බවයි.

පහත රූපයේ දැක්වෙන්නේ පිළිවෙලින් C/30 සහ C/5 අනුපාතවලින් ආරෝපණය කිරීමේදී සෘණ ග්‍රැෆයිට් ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ අදියර වෙනස්වීම් සංසන්දනය කිරීමයි. විවිධ ආරෝපණ අනුපාත දෙකක් සඳහා, ලිතියම්-දුප්පත් අදියර Li1-XC18 ඉතා සමාන බව රූපයේ දැක්වේ. වෙනස ප්‍රධාන වශයෙන් LiC12 සහ LiC6 යන අදියර දෙකෙහි පිළිබිඹු වේ. ආරෝපණ අනුපාත දෙක යටතේ ආරෝපණය කිරීමේ ආරම්භක අදියරේදී සෘණ ඉලෙක්ට්රෝඩයේ අදියර වෙනස් වීමේ ප්රවණතාවය සාපේක්ෂව ආසන්න බව රූපයෙන් දැකිය හැකිය. LiC12 අදියර සඳහා, ආරෝපණ ධාරිතාව 950mAh (49% SoC) වෙත ළඟා වූ විට, වෙනස් වන ප්‍රවණතාවය වෙනස් ලෙස පෙනෙන්නට පටන් ගනී. එය 1100mAh (56.4% SoC) වන විට, විශාලන දෙක යටතේ LiC12 අදියර සැලකිය යුතු පරතරයක් පෙන්වීමට පටන් ගනී. C/30 හි අඩු අනුපාතයකින් ආරෝපණය කරන විට, LiC12 අදියරෙහි පරිහානිය ඉතා වේගවත් වේ, නමුත් C/12 අනුපාතයෙහි LiC5 අදියර පහත වැටීම බෙහෙවින් මන්දගාමී වේ; එනම් සෘණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ ලිතියම් ඇතුල් කිරීමේ චාලක තත්ත්‍වය අඩු උෂ්ණත්වවලදී පිරිහී යයි. , LiC12 Lithium උත්පාදනය කිරීම සඳහා Lithium තවදුරටත් අන්තර් සම්බන්ධ කරන නිසා LiC6 අදියර වේගය අඩු විය. ඊට අනුරූපව, LiC6 අදියර C/30 හි අඩු අනුපාතයකින් ඉතා ඉක්මනින් වැඩි වන නමුත් C/5 හි වේගයකින් ඉතා මන්දගාමී වේ. මෙයින් පෙන්නුම් කරන්නේ C/5 අනුපාතයේදී, මිනිරන් වල ස්ඵටික ව්‍යුහය තුළට වඩා කුඩා Li ප්‍රමාණයක් තැන්පත් වී ඇති නමුත්, සිත්ගන්නා කරුණ නම් C/1520.5 ආරෝපණ අනුපාතයේදී බැටරියේ ආරෝපණ ධාරිතාව (5mAh) C ට වඩා වැඩි වීමයි. /30 ගාස්තු අනුපාතය. බලය (1503.5mAh) වැඩි වේ. සෘණ ග්රැෆයිට් ඉලෙක්ට්රෝඩය තුළට කාවැදී නොමැති අමතර Li ලෝහ ලිතියම් ආකාරයෙන් මිනිරන් මතුපිටට අවක්ෂේප කිරීමට ඉඩ ඇත. ආරෝපණය අවසන් වීමෙන් පසු ස්ථාවර ක්රියාවලිය ද මෙය පැත්තෙන් ඔප්පු කරයි - ටිකක්.

පහත රූපයේ දැක්වෙන්නේ ඍණ ග්රැෆයිට් ඉලෙක්ට්රෝඩයේ අදියර ව්යුහය ආරෝපණය කිරීමෙන් පසුව සහ පැය 20 ක් ඉතිරි වීමෙන් පසුවය. ආරෝපණය අවසානයේ, ආරෝපණ අනුපාත දෙක යටතේ සෘණ ග්රැෆයිට් ඉලෙක්ට්රෝඩයේ අදියර බෙහෙවින් වෙනස් වේ. C/5 හිදී, ග්‍රැෆයිට් ඇනෝඩයේ LiC12 අනුපාතය වැඩි වන අතර LiC6 ප්‍රතිශතය අඩු වේ, නමුත් පැය 20 ක් සිටගෙන සිටීමෙන් පසු දෙක අතර වෙනස අවම වී ඇත.

පහත රූපයේ දැක්වෙන්නේ 20h ගබඩා කිරීමේ ක්‍රියාවලියේදී සෘණ ග්‍රැෆයිට් ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ අදියර වෙනස් වීමයි. රූපයෙන් පෙනෙන්නේ ප්‍රතිවිරුද්ධ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ දෙකේ අදියර තවමත් මුලදී බෙහෙවින් වෙනස් වුවද, ගබඩා කාලය වැඩි වන විට, ආරෝපණ වර්ග දෙක විශාලනය යටතේ ඇති ග්‍රැෆයිට් ඇනෝඩයේ අදියර ඉතා ආසන්නව වෙනස් වී ඇති බවයි. රාක්ක තැබීමේ ක්‍රියාවලියේදී LiC12 LiC6 බවට පරිවර්තනය කිරීම දිගටම කරගෙන යා හැක, එයින් පෙන්නුම් කරන්නේ Li රාක්ක තැබීමේ ක්‍රියාවලියේදී මිනිරන් තුළට කාවැදී ඇති බවයි. Li හි මෙම කොටස අඩු උෂ්ණත්වයේ දී සෘණ ග්රැෆයිට් ඉලෙක්ට්රෝඩයේ මතුපිට ලෝහමය ලිතියම් අවක්ෂේපිත විය හැකිය. වැඩිදුර විශ්ලේෂණයන් පෙන්නුම් කළේ C/30 අනුපාතයට ආරෝපණය කිරීම අවසානයේ දී සෘණ ග්රැෆයිට් ඉලෙක්ට්රෝඩයේ ලිතියම් අන්තර් සම්බන්ධ කිරීමේ උපාධිය 68% ක් බවයි. තවමත්, ලිතියම් අන්තර්ක්‍රියාකාරිත්වයේ මට්ටම රාක්කයෙන් පසු 71% දක්වා වැඩි වූ අතර එය 3% කින් වැඩි විය. C/5 අනුපාතයට ආරෝපණය කිරීම අවසානයේ, සෘණ ග්රැෆයිට් ඉලෙක්ට්රෝඩයේ ලිතියම් ඇතුළත් කිරීමේ උපාධිය 58% ක් වූ නමුත් පැය 20 ක් ඉතිරි වූ පසු එය 70% දක්වා වැඩි විය, එය 12% ක සම්පූර්ණ වැඩිවීමකි.

ඉහත පර්යේෂණයෙන් පෙන්නුම් කරන්නේ අඩු උෂ්ණත්වවලදී ආරෝපණය කිරීමේදී චාලක තත්ත්වයන් පිරිහීම නිසා බැටරි ධාරිතාව අඩු වන බවයි. එය ග්‍රැෆයිට් ලිතියම් ඇතුළු කිරීමේ වේගය අඩුවීම හේතුවෙන් සෘණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ මතුපිට ලිතියම් ලෝහය අවක්ෂේප කරයි. කෙසේ වෙතත්, ගබඩා කාලයකට පසුව, මෙම ලෝහ ලිතියම් කොටස නැවත මිනිරන් තුළට කාවැදී ඇත; සත්‍ය භාවිතයේදී, රාක්ක කාලය බොහෝ විට කෙටි වන අතර, සියලුම ලෝහ ලිතියම් නැවත මිනිරන් තුළට කාවැදී ඇති බවට සහතිකයක් නොමැත, එම නිසා යම් ලෝහමය ලිතියම් සෘණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ දිගටම පැවතීමට හේතු විය හැක. ලිතියම්-අයන බැටරියේ මතුපිට ලිතියම්-අයන බැටරියේ ධාරිතාවයට බලපාන අතර ලිතියම්-අයන බැටරියේ ආරක්ෂාවට අනතුරක් වන ලිතියම් ඩෙන්ඩ්‍රයිට් නිපදවිය හැක. එමනිසා, අඩු උෂ්ණත්වවලදී ලිතියම්-අයන බැටරිය ආරෝපණය නොකිරීමට උත්සාහ කරන්න. අඩු ධාරාවක්, සහ සැකසීමෙන් පසුව, සෘණ ග්රැෆයිට් ඉලෙක්ට්රෝඩයේ ලෝහ ලිතියම් ඉවත් කිරීමට ප්රමාණවත් රාක්ක කාලයක් සහතික කරන්න.

මෙම ලිපිය ප්‍රධාන වශයෙන් පහත සඳහන් ලේඛන වෙත යොමු වේ. වාර්තාව භාවිතා කරනුයේ අදාළ විද්‍යාත්මක කෘතීන්, පන්තිකාමර ඉගැන්වීම් සහ විද්‍යාත්මක පර්යේෂණ හඳුන්වාදීම සහ සමාලෝචනය කිරීම සඳහා පමණි. වාණිජ භාවිතය සඳහා නොවේ. ඔබට කිසියම් ප්‍රකාශන හිමිකම් ගැටළු ඇත්නම්, කරුණාකර අප හා සම්බන්ධ වීමට නිදහස් වන්න.

1.ලිතියම් අයන ධාරිත්‍රකවල මිනිරන් ද්‍රව්‍ය සෘණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස ශ්‍රේණිගත කිරීමේ හැකියාව, Electrochimica Acta 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar, JY Nerkar, AG Pandolfo

2. වෝල්ටීයතා ලිහිල් කිරීම සහ ස්ථානීය නියුට්‍රෝන විවර්තනය මගින් විමර්ශනය කරන ලද ලිතියම්-අයන බැටරි වල ලිතියම් ප්ලේටින් කිරීම, බල ප්‍රභවයන් 342(2017)17-23, ක්‍රිස්ටියන් වොන් ලුඩර්ස්, වෙරෝනිකා සින්ත්, සයිමන් වී.එර්හාඩ්, පැට්‍රික් ජේ.ඔස්වල්ඩ්, මයිකල් හොෆ්ට්මන්, මයිකල් හොෆ්ට්මන් , Ralph Gilles, Andreas Jossen

3. ස්ථානීය නියුට්‍රෝන විවර්තනයෙන් විමර්ශනය කරන ලද උප-පරිසර උෂ්ණත්වවලදී ලිතියම්-අයන බැටරි වල ලිතියම් ප්ලේටින් කිරීම, බලශක්ති ප්‍රභවයන් 271 (2014) 152-159, වෙරෝනිකා සින්ත්, ක්‍රිස්ටියන් වොන් ලූඩර්ස්, මයිකල් හොෆ්මන්, ජොහැන්නස් හැටෙන්ඩෝෆ්, ජොහැන්නස් හැටෙන්ඩෝෆ්, Erhard, Joana Rebelo-Kornmeier, Andreas Jossen, Ralph Gilles