Die Wirkung der Ladung und Entladung Lithium Eisen Phosphat-Graphit-Zellen bei unterschiedlichen Temperaturen auf Abbau

Diese Methode kann helfen, Fragen zur Batteriealterung zu beantworten. Das Durchlaufen unterschiedlicher Lade- und Entladetemperaturen kann die Degradation beeinflussen, da viele Prozesse, die eine Degradation verursachen, temperaturabhängig sind. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, unterschiedliche Lade- und Entladetemperaturen zu testen, da bei herkömmlichen Prüfverfahren die gleiche Umgebungstemperatur zum Laden und Entladen verwendet wird.

Die Auswirkungen dieser Technik erstrecken sich auf die Unterstützung zukünftiger Normen und Vorschriften durch die Prüfung unterschiedlicher Lade- und Entladetemperaturen. Diese Methode kann einen Einblick in Degradationsmechanismen bei unterschiedlichen Temperaturen geben. Höhere Temperaturzyklen verstärken die Degradation und erhöhen das Wachstum der SEI-Schicht, während niedrige Temperaturzyklen zu einer Lithiumbeschichtung führen.

Verwenden Sie vor dem Experiment die Methoden der Versuchsplanung, um die optimalen Paare von Lade- und Entladetemperaturen zu identifizieren und die erforderliche Anzahl von Temperaturkombinationen zu minimieren. Um den Vorgang zu starten, legen Sie zwei Lithium-Eisenphosphat-Graphit-Pouch-Zellen mit einem Ladezustand von 30 % in starre Polycarbonat-Halter. Platzieren Sie die Zellen in Vorrichtungen in einer Temperierkammer des Batteriecyclers.

Platzieren Sie ein Thermoelement, das mit dem Batteriecycler verbunden ist, in der Mitte einer Seite jeder Zelle. Verbinden Sie die Zellen über eine Vierdrahtverbindung mit dem Battery Cycler. Stellen Sie in der Batteriecycler-Software die Temperaturkammer auf 25 Grad Celsius ein.

Lassen Sie die Zellen 12 Stunden lang ausgleichen. Erstellen Sie als Nächstes eine neue Datei im Batteriezyklier-Testeditor für die zweistufige Konstantstrom- und Konstantspannungszellenkonditionierung. Geben Sie die Sicherheitskriterien für den Kanal ein, um den Zyklus zu stoppen, wenn der Batteriezustand die angegebenen Grenzwerte überschreitet.

Fügen Sie eine Konstantstrom-Entladestufe mit einer C-Rate von 0,1 bis 2,7 Volt hinzu. Machen Sie anschließend eine 30-minütige Pause. Dann wird bei konstantem Strom eine konstante Spannung von 0,1 C auf 3,7 Volt geladen, wobei die Konstantspannungsphase eine Stunde dauert oder bis die C-Rate auf 0,01 C abfällt.

Und noch einmal 30 Minuten Ruhepause. Speichern Sie das Konditionierungsprotokoll, wenn Sie fertig sind. Erstellen Sie ein neues Protokoll für den Referenzzyklus.

Stellen Sie die Kammertemperatur auf 25 Grad Celsius ein und fügen Sie eine Wartezeit hinzu, bis die Temperatur um weniger als ein Kelvin pro Stunde variiert. Fügen Sie zwei Konstantstrom-Lade-/Entladezyklen mit Lade- und Entladeschwellen von 3,7 Volt bzw. 2,7 Volt bei einer C-Rate von 0,3 hinzu. Befolgen Sie jeden Zyklus mit einer Wartezeit, damit sich die Temperatur stabilisieren kann.

Speichern Sie das Referenzzyklusprotokoll, wenn Sie fertig sind. Öffnen Sie die Konditionierungsmethode und fügen Sie den Referenzzyklus als Unterprogramm zur Konditionierung hinzu. Öffnen Sie dann die Software für den Batterie-Cycler.

Klicken Sie auf beide Kanäle mit den zu testenden Zellen, um die Kanäle auszuwählen, und klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen. Wählen Sie den Konditionierungsprozess aus, geben Sie einen Dateinamen ein, geben Sie die Kapazität in Amperestunden ein und wählen Sie die Temperierkammer aus. Führen Sie den Prozess aus, um die anfängliche Kapazität zu bestimmen.

Erstellen Sie ein neues Protokoll für Langzeitzyklen mit gleichen Lade- und Entladetemperaturen. Stellen Sie zunächst die Kammer auf die Zieltemperatur ein und lassen Sie die Zelltemperatur ausgleichen. Stellen Sie die Methode so ein, dass eine Konstantstrom- und Konstantspannungsladung auf 3,7 Volt bei einer C-Rate von eins durchgeführt wird, wobei die Konstantspannungsphase eine Stunde dauert oder bis die C-Rate auf 0,1 abfällt.

Ruhen Sie die Zellen 30 Minuten lang aus. Führen Sie dann eine Konstantstromentladung auf 2,7 Volt mit der gleichen C-Rate durch und ruhen Sie die Zellen weitere 30 Minuten lang aus. Wiederholen Sie die Lade-/Entladezyklen 100 Mal.

Fügen Sie den Referenzzyklus als Unterprogramm nach jeweils 25 Zyklen hinzu. Erstellen Sie ein weiteres Protokoll für Langzeitzyklen mit unterschiedlichen Lade- und Entladetemperaturen unter Verwendung der gleichen C-Rate und der gleichen Spannungsschwellen. Stellen Sie die Ruhephasen nach jedem Zyklusschritt so ein, dass Sie warten, bis sich die Zelltemperatur stabilisiert hat.

Wiederholen Sie die Lade-/Entladezyklen 100 Mal, wobei der Referenzzyklus alle 25 Zyklen erfolgt. Speichern Sie die Methode, wenn Sie fertig sind. Erstellen Sie auf der Grundlage dieser Protokolle langfristige Zyklusprotokolle für die Temperaturkombinationen, die durch die Versuchsplanung identifiziert wurden.

Kehren Sie dann zum Haupt-Batterie-Cycler-Programm zurück. Wählen Sie die Kanäle für die zu testenden Zellen aus. Wählen Sie das gewünschte Langzeit-Radfahrprogramm aus.

Geben Sie einen Dateinamen für die Daten ein. Wählen Sie die Temperierkammer aus und starten Sie den Langzeitzyklus. Wiederholen Sie den Test einmal an einer frischen Zelle, um die Wiederholbarkeit zu beurteilen.

Sobald die elektrochemischen Zyklustests abgeschlossen sind, öffnen Sie eine Datenvisualisierungsvorlage in der Batteriezyklussoftware. Öffnen Sie dann die gespeicherten Zyklusdaten und bewerten Sie den Zellabbau im Laufe der Zeit. Öffnen Sie als Nächstes die Daten in der Analysesoftware und wählen Sie eine schrittweise Anpassung mit einer maximalen K-Falten-R-Quadrat-Funktion aus.

Passen Sie die Daten an, werten Sie die Teilmengen aus, und wählen Sie den besten R-Quadrat-Gesamtwert aus, um eine Überanpassung zu vermeiden. Klicken Sie dann auf Modell erstellen, um die angepassten Daten zu visualisieren. Werten Sie die in der Effektzusammenfassung aufgeführten Parameter aus, und löschen Sie alle Parameter, die als nicht signifikant angezeigt werden.

Zeigen Sie die endgültige Visualisierung der Degradationsrate an, und passen Sie die Darstellungseinstellungen wie gewünscht an. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle getesteten Zellen. Übertragen Sie anschließend die Zellen in eine inerte, gasgefüllte Handschuhbox.

Zerlegen Sie die Zellen und schneiden Sie die Beutel mit einer Keramikschere auf. Schneiden Sie 5 mm x 5 mm große Stücke der Anoden und Kathoden. Montieren Sie die Elektrodenstücke auf Rasterelektronenmikroskop-Probenstummel, die in einem Probenhalter fixiert sind.

Setzen Sie den Probenhalter in ein verschlossenes Gefäß ein und entnehmen Sie ihn über die Vorkammer aus dem Handschuhfach. Übertragen Sie den Probenhalter über einen mit Inertgas und Überdruck gefüllten Handschuhbeutel aus der Glovebox in die REM-Probenkammer. Charakterisieren Sie mindestens fünf verschiedene Stellen auf der Oberfläche jeder Probe, um potenzielle Oberflächeninhomogenitäten zu identifizieren.

Bei einem Zyklus mit einer Lade- und Entladetemperatur von 20 Grad Celsius wurde ein dramatischer Abfall der Kapazität innerhalb jedes 25-Zyklen-Blocks beobachtet, gefolgt von einer signifikanten Rekuperation während des Referenzzyklus bei 25 Grad Celsius. Das Radfahren bei 12 Grad Celsius oder 30 Grad Celsius führte zu einem deutlich stärkeren Kapazitätsabfall als das Radfahren bei 5 Grad Celsius oder 5 Grad Celsius. Beim Zyklus bei einer gegebenen Ladetemperatur wurde eine höhere Langzeitstabilität bei niedrigeren Entladetemperaturen beobachtet.

In ähnlicher Weise wurde beim Zyklus bei einer gegebenen Entladetemperatur in der Regel eine höhere Langzeitstabilität bei niedrigeren Ladungstemperaturen beobachtet. Zellen, die mit einer Entladetemperatur von 20 Grad Celsius und Ladungstemperaturen von 0 Grad Celsius oder 15 Grad Celsius zyklisiert wurden, zeigten eine bescheidene Kapazitätswiederherstellung nach dem Referenzzyklus mit weniger starken Kapazitätsabfällen über einen Langzeitzyklus als bei einer Ladetemperatur von 20 Grad Celsius. Aus den Daten wurde ein Modell abgeleitet, das die Beziehungen zwischen Lade- und Entladetemperaturen und die Degradationsraten beschreibt und es ermöglicht, die optimalen Temperaturen in Abhängigkeit von der potenziellen Anwendung zu identifizieren.

Die Idee zu dieser Methode kam uns zum ersten Mal, als wir darüber diskutierten, wie sich Temperaturschwankungen auf die Haltbarkeit einer Batterie auswirken. Wir analysierten die Prüfnormen und stellten fest, dass die Tests meist bei der gleichen Umgebungstemperatur durchgeführt werden. Batterien sind jedoch aufgrund von jahreszeitlichen Veränderungen, Tag-Nacht-Schwankungen und den Betriebstemperaturen der umgebenden Geräte ständig schwankenden Temperaturen ausgesetzt.

Es kann eine extrem große Anzahl von Permutationen der Lade- und Entladetemperatur in einem bestimmten Temperaturbereich geben. Daher verwenden wir ein optimales Design von Experimenten, um die Anzahl der Tests zu minimieren, die für einen maximalen Informationsgewinn erforderlich sind. Diese Technik ebnete den Weg für die Entwicklung von zweckmäßigen, besseren Standards für Abbautechniken mit vergleichbaren Bedingungen wie im wirklichen Leben.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Batteriezyklusdaten entwerfen, testen und analysieren und diese Daten mit anderen Testergebnissen und der realen Nutzung vergleichen.