تأثير الشحن والتفريغ خلايا الليثيوم الجرافيت فوسفات الحديد عند درجات حرارة مختلفة على تدهور

توضح هذه المقالة تأثير درجات الحرارة تختلف عن شحن/تصريف على تدهور ليثيوم الحديد الفوسفات-الجرافيت الحقيبة الخلايا، تهدف إلى محاكاة ما يقرب من سيناريوهات حالة حقيقية. وفي المجموع، التحقيق 10 درجات الحرارة تركيبات في النطاق من-20 إلى 30 درجة مئوية بغية تحليل أثر درجة الحرارة على تدهور.

يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على أسئلة حول تقادم البطارية. قد يؤثر تدوير درجات حرارة مختلفة للشحنة والتفريغ على التدهور لأن العديد من العمليات التي تسبب التدهور تعتمد على درجة الحرارة. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي اختبار درجات حرارة الشحن والتفريغ المختلفة حيث تستخدم طريقة الاختبار التقليدية نفس درجة الحرارة البيئية للشحن والتفريغ.

تمتد الآثار المترتبة على هذه التقنية نحو دعم المعايير واللوائح المستقبلية مع اختبار درجات حرارة الشحن والتفريغ المختلفة. يمكن أن توفر هذه الطريقة نظرة ثاقبة لآليات التحلل في درجات حرارة مختلفة. يعزز الدوران بدرجة حرارة أعلى التدهور ويزيد من نمو طبقة SEI بينما يؤدي التدوير بدرجة حرارة منخفضة إلى طلاء الليثيوم.

قبل التجربة ، استخدم تصميم طرق التجربة لتحديد الأزواج المثلى من درجات حرارة الشحن والتفريغ لتقليل العدد المطلوب من مجموعات درجات الحرارة. لبدء العملية ، ضع خليتين من كيس الليثيوم فوسفات الحديد والجرافيت عند 30٪ من حالة الشحن في حاملات صلبة من البولي كربونات. ضع الخلايا في تركيبات في غرفة درجة حرارة دورة البطارية.

ضع زوجين حراريين متصلين بجهاز تدوير البطارية في وسط جانب واحد من كل خلية. قم بتوصيل الخلايا بجهاز تدوير البطارية عبر وصلة بأربعة أسلاك. في برنامج تدوير البطارية ، اضبط غرفة درجة الحرارة على 25 درجة مئوية.

اسمح للخلايا بالتوازن لمدة 12 ساعة. بعد ذلك ، قم بإنشاء ملف جديد في محرر اختبار Battery cycler لتكييف خلية الجهد المستمر بخطوتين والتيار المستمر. املأ معايير أمان القناة لإيقاف التدوير إذا تجاوزت ظروف البطارية الحدود المحددة.

أضف خطوة تفريغ تيار ثابت بمعدل C يصل إلى 2.7 فولت. اتبع هذا مع 30 دقيقة من الراحة. بعد ذلك ، عند تيار ثابت ، شحنة جهد ثابتة بمعدل 0.1 درجة مئوية إلى 3.7 فولت مع استمرار مرحلة الجهد الثابت لمدة ساعة واحدة أو حتى ينخفض معدل C إلى 0.01 درجة مئوية.

وفترة راحة أخرى مدتها 30 دقيقة. احفظ بروتوكول التكييف عند الانتهاء. قم بإنشاء بروتوكول جديد لتدوير المراجعة.

اضبط درجة حرارة الغرفة على 25 درجة مئوية وأضف فترة انتظار حتى تتغير درجة الحرارة بأقل من كلفن واحد في الساعة. أضف دورتي شحن / تفريغ تيار مستمر مع عتبات شحن وتفريغ تبلغ 3.7 فولت و 2.7 فولت على التوالي ، بمعدل C يبلغ 0.3. اتبع كل دورة بفترة انتظار للسماح لدرجة الحرارة بالاستقرار.

احفظ بروتوكول التدوير المرجعي عند الانتهاء. افتح طريقة التكييف وأضف التدوير المرجعي إلى التكييف كروتين فرعي. ثم افتح برنامج تدوير البطارية الرئيسي.

انقر فوق كلتا القناتين اللتين تحتوي على خلايا ليتم اختبارها لتحديد القنوات وانقر فوق الزر "تشغيل". حدد عملية التكييف ، وقدم اسم ملف ، وأدخل السعة بالأمبير ، وحدد غرفة درجة الحرارة. قم بتشغيل العملية لتحديد السعة الأولية.

قم بإنشاء بروتوكول جديد لركوب الدراجات على المدى الطويل بنفس درجات حرارة الشحن والتفريغ. ابدأ بضبط الغرفة على درجة الحرارة المستهدفة والسماح لدرجة حرارة الخلية بالتوازن. اضبط الطريقة لأداء شحن تيار ثابت وجهد ثابت على 3.7 فولت بمعدل C واحد مع استمرار مرحلة الجهد الثابت لمدة ساعة واحدة أو حتى ينخفض معدل C إلى 0.1.

ضع إراحة الخلايا لمدة 30 دقيقة. بعد ذلك ، قم بإجراء تفريغ تيار مستمر إلى 2.7 فولت بنفس معدل C وإراحة الخلايا لمدة 30 دقيقة أخرى. كرر دورات الشحن / التفريغ 100 مرة.

أضف التدوير المرجعي كروتين فرعي بعد كل 25 دورة. قم بإنشاء بروتوكول آخر للدراجات طويلة المدى بدرجات حرارة شحن وتفريغ مختلفة باستخدام نفس عتبات المعدل C والجهد. اضبط مراحل الراحة بعد كل خطوة من خطوات التدوير للانتظار حتى تستقر درجة حرارة الخلية.

كرر دورات الشحن / التفريغ 100 مرة مع التدوير المرجعي كل 25 دورة. احفظ الطريقة عند الانتهاء. بناء على هذه البروتوكولات ، قم بإنشاء بروتوكولات ركوب طويلة الأجل لمجموعات درجات الحرارة المحددة من خلال تصميم طرق التجربة.

ثم ارجع إلى برنامج تدوير البطارية الرئيسي. حدد القنوات للخلايا المراد اختبارها. حدد برنامج ركوب الدراجات طويل المدى المطلوب.

املأ اسم ملف للبيانات. حدد غرفة درجة الحرارة وابدأ ركوب الدراجات على المدى الطويل. كرر الاختبار مرة واحدة على خلية جديدة لتقييم قابلية التكرار.

بمجرد انتهاء اختبارات ركوب الدراجات الكهروكيميائية، افتح قالب تصور البيانات في برنامج تدوير البطارية. ثم افتح بيانات التدوير المحفوظة وقم بتقييم تدهور الخلايا بمرور الوقت. بعد ذلك ، افتح البيانات في برنامج التحليل وحدد ملاءمة تدريجية مع وظيفة R-square كحد أقصى K-fold.

قم بملاءمة البيانات وتقييم المجموعات الفرعية وحدد أفضل قيمة تربيع R الإجمالية لتجنب الإفراط في التركيب. ثم انقر فوق إنشاء نموذج لتصور البيانات المناسبة. قم بتقييم المعلمات المدرجة في ملخص التأثيرات واحذف أي معلمات تظهر على أنها غير مهمة.

اعرض مرئيات معدل التدهور النهائي واضبط إعدادات المظهر حسب الرغبة. كرر هذه العملية لجميع الخلايا التي تم اختبارها. بعد ذلك ، انقل الخلايا إلى صندوق قفازات خامل مملوء بالغاز.

قم بتفكيك الخلايا وقطع الحقائب بمقص السيراميك. قطع قطع 5 مم × 5 مم من الأنودات والكاثود. قم بتركيب قطع القطب الكهربائي على بذرة عينة المجهر الإلكتروني الماسح المثبتة في حامل العينة.

أدخل حامل العينة في وعاء محكم الغلق وقم بإزالته من صندوق القفازات عبر غرفة الانتظار. انقل حامل العينة من صندوق القفازات إلى غرفة عينة SEM عبر كيس قفازات مملوء بالغاز الخامل عند ضغط إيجابي. قم بتمييز ما لا يقل عن خمسة مواقع مختلفة على سطح كل عينة لتحديد حالات عدم التجانس السطحية المحتملة.

عند تدويرها مع كل من درجات حرارة الشحن والتفريغ عند 20 درجة مئوية ، لوحظ تدهور كبير في السعة داخل كل كتلة من 25 دورة ، متبوعا بتعافي كبير أثناء ركوب الدراجات المرجعية عند 25 درجة مئوية. أدى ركوب الدراجات عند 12 درجة مئوية أو 30 درجة مئوية إلى اضمحلال سعة أكبر بشكل ملحوظ من ركوب الدراجات عند 5 درجات مئوية أو 5 درجات مئوية. عند ركوب الدراجات عند درجة حرارة شحنة معينة ، لوحظ استقرار أعلى على المدى الطويل في درجات حرارة التفريغ المنخفضة.

وبالمثل ، عند ركوب الدراجات عند درجة حرارة تفريغ معينة ، عادة ما لوحظ ثبات أعلى على المدى الطويل في درجات حرارة شحن منخفضة. أظهرت الخلايا التي تم تدويرها بدرجة حرارة تفريغ تبلغ 20 درجة مئوية ودرجات حرارة شحن تبلغ 0 درجة مئوية أو 15 درجة مئوية انتعاشا متواضعا في السعة بعد ركوب الدراجات المرجعية مع انخفاض أقل حدة في السعة على المدى الطويل مما لوحظ مع درجة حرارة شحن تبلغ 20 درجة مئوية. تم اشتقاق نموذج من البيانات لوصف العلاقات بين درجات حرارة الشحنة والتفريغ ومعدلات التحلل ، مما يسمح بتحديد درجات الحرارة المثلى اعتمادا على التطبيق المحتمل.

خطرنا لأول مرة فكرة هذه الطريقة عندما ناقشنا كيف تؤثر التغيرات في درجات الحرارة على متانة البطارية. قمنا بتحليل معايير الاختبار وأدركنا أن الاختبار يتم في الغالب في نفس درجة الحرارة البيئية. ومع ذلك ، تواجه البطاريات درجات حرارة متفاوتة باستمرار بسبب التغيرات الموسمية ، والتباين ليلا / النهار ، ودرجات حرارة تشغيل المعدات المحيطة.

يمكن أن يكون هناك عدد كبير للغاية من التباديل في درجة حرارة الشحن والتفريغ في نطاق درجة حرارة معين. لذلك ، نستخدم التصميم الأمثل للتجارب لتقليل عدد الاختبارات اللازمة لتحقيق أقصى قدر من اكتساب المعلومات. مهدت هذه التقنية الطريق لتطوير معايير تقنية تحلل أفضل مناسبة للغرض مع ظروف مماثلة لاستخدام الحياة الواقعية.

بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تصميم بيانات تدوير البطارية واختبارها وتحليلها ومقارنة هذه البيانات بنتائج الاختبار الأخرى والاستخدام الواقعي.