急速な充放電リチウム鉄リン酸グラファイト電池劣化で異なる温度での効果

この方法は、バッテリーの経年劣化に関する質問に答えるのに役立ちます。異なる充電温度と放電温度をサイクルすると、劣化を引き起こす多くのプロセスが温度に依存するため、劣化に影響を与える可能性があります。この手法の主な利点は、従来の試験方法では充電と放電に同じ環境温度を使用するため、異なる充電温度と放電温度をテストすることです。

この手法の影響は、さまざまな充電温度と放電温度のテストによる将来の規格と規制のサポートにまで及びます。この方法により、さまざまな温度での劣化メカニズムに関する洞察を得ることができます。高温サイクルは劣化を促進し、SEI層の成長を増加させ、低温サイクルはリチウムめっきをもたらします。

実験に先立って、実験方法計画法を使用して、必要な温度の組み合わせの数を最小限に抑えるための最適な充電温度と放電温度のペアを特定します。プロセスを開始するには、2つのリン酸鉄リチウム-グラファイトパウチセルを30%の充電状態で硬質のポリカーボネートホルダーに入れます。セルをバッテリーサイクラーの温度チャンバー内の固定具に配置します。

バッテリーサイクラーに接続されたサーモカップルを、各セルの片側の中央に配置します。セルを4線式接続でバッテリーサイクラーに接続します。バッテリーサイクラーソフトウェアで、恒温槽を摂氏25度に設定します。

細胞を12時間平衡化させます。次に、バッテリー サイクラー テスト エディターで、2 ステップ、定電流、定電圧セル コンディショニング用の新しいファイルを作成します。チャネルの安全基準を記入して、バッテリーの状態が指定された制限を超えた場合にサイクリングを停止します。

0.1〜2.7ボルトのCレートで定電流放電ステップを追加します。これに続いて30分間の休憩を取ります。次に、定電流で、0.1 Cレートから3.7ボルトまでの定電圧充電で、定電圧位相は1時間、またはCレートが0.01Cに低下するまで持続します。

そして、さらに30分の休憩時間。終了したら、コンディショニング プロトコルを保存します。参照サイクリング用の新しいプロトコルを作成します。

チャンバーの温度を摂氏25度に設定し、温度の変動が1時間あたり1ケルビン未満になるまで待機期間を追加します。充電と放電のしきい値がそれぞれ3.7ボルトと2.7ボルトの2つの定電流充電/放電サイクルを、Cレート0.3で追加します。各サイクルの後には、温度が安定するまで待機期間を設けてください。

終了したら、参照サイクリングプロトコルを保存します。コンディショニングメソッドを開き、参照サイクリングをサブルーチンとしてコンディショニングに追加します。次に、メインバッテリーサイクラーソフトウェアを開きます。

テストするセルがある両方のチャンネルをクリックしてチャンネルを選択し、[Run]ボタンをクリックします。コンディショニングプロセスを選択し、ファイル名を入力し、容量をアンペア時で入力し、恒温槽を選択します。プロセスを実行して、初期容量を決定します。

同じ充電温度と放電温度で長期サイクリングを行うための新しいプロトコルを作成します。まず、チャンバーを目標温度に設定し、セル温度を平衡化させます。定電流、定電圧充電を3.7ボルトに実行するように設定します Cレート1で 1 ボルト、定電圧位相は 1 時間続くか、C レートが 0.1 に下がるまで

セルを30分間休ませます。次に、同じCレートで2.7ボルトまで定電流放電を実行し、セルをさらに30分間休ませます。充電/放電サイクルを100回繰り返します。

25サイクルごとに参照サイクリングをサブルーチンとして追加します。同じCレートと電圧の閾値を使用して、異なる充電温度と放電温度で長期サイクリングを行うための別のプロトコルを作成します。各サイクリングステップの後に残りのフェーズを設定して、セル温度が安定するまで待ちます。

充電/放電サイクルを100回繰り返し、25サイクルごとにリファレンスサイクルを行います。終了したら、メソッドを保存します。これらのプロトコルに基づいて、実験計画法によって特定された温度の組み合わせに対する長期的なサイクリングプロトコルを作成します。

次に、メインバッテリーサイクラープログラムに戻ります。テストするセルのチャンネルを選択します。希望する長期サイクリングプログラムを選択します。

データのファイル名を入力します。恒温槽を選択し、長期サイクルを開始します。新しい細胞で一度テストを繰り返して、再現性を評価します。

電気化学サイクリングテストが終了したら、バッテリーサイクリングソフトウェアでデータ視覚化テンプレートを開きます。次に、保存したサイクリングデータを開き、時間の経過に伴う細胞の劣化を評価します。次に、解析ソフトウェアでデータを開き、最大KフォールドR二乗関数を持つステップワイズフィットを選択します。

データを適合し、サブセットを評価し、過剰適合を避けるために最適な全体R二乗値を選択します。次に、[モデルの作成] をクリックして、近似データを可視化します。「Effects Summary」にリストされているパラメータを評価し、重要でないと表示されているパラメータをすべて削除します。

最終的な劣化率の視覚化を表示し、必要に応じて外観設定を調整します。テストしたすべてのセルに対してこのプロセスを繰り返します。次に、細胞を不活性なガス充填グローブボックスに移します。

細胞を分解し、セラミックハサミでポーチを切り開きます。アノードとカソードを5mmずつカットします。サンプルホルダーに固定された走査型電子顕微鏡サンプルスタブに電極片を取り付けます。

サンプルホルダーを密閉容器に挿入し、控え室からグローブボックスから取り出します。サンプルホルダーをグローブボックスからSEMサンプルチャンバーに移し、正圧で不活性ガスで満たされたグローブバッグを介して移します。各サンプルの表面上の少なくとも 5 つの異なる場所を特徴付けて、潜在的な表面の不均一性を特定します。

20°Cの充電温度と放電温度の両方でサイクルすると、各25サイクルブロック内で容量の劇的な減衰が観察され、その後、25°Cでの基準サイクル中に大幅な回復が見られました。摂氏12度または摂氏30度のサイクリングは、摂氏5度または摂氏5度のサイクリングよりも著しく大きな容量減衰をもたらしました。特定の充電温度でサイクルすると、より低い放電温度でより高い長期安定性が観察されました。

同様に、特定の放電温度でサイクルする場合、通常、低い充電温度でより高い長期安定性が観察されました。20°Cの放電温度と0°Cまたは15°Cの充電温度でサイクルした細胞は、リファレンスサイクル後の容量回復が緩やかで、長期サイクルによる容量低下は、20°Cの充電温度で観察されたよりも緩やかでした。このデータから、充電温度と放電温度、および劣化速度との関係を説明するモデルが導き出され、潜在的なアプリケーションに応じて最適な温度を特定することができました。

この方法のアイデアは、温度変化がバッテリーの耐久性にどのように影響するかについて話し合ったときに最初に思いつきました。試験基準を分析したところ、試験のほとんどが同じ環境温度で行われていることがわかりました。しかし、バッテリーは季節の変化や昼夜の変動、周辺機器の動作温度などにより、常に温度が変動します。

特定の温度範囲で、非常に多くの充電温度と放電温度の順列が存在する可能性があります。したがって、最適な実験計画を使用して、情報を最大限に得るために必要なテストの数を最小限に抑えます。この技術は、実際の使用に匹敵する条件で、目的に適合し、より優れた劣化技術基準を開発する道を開きました。

このビデオを見れば、バッテリーのサイクリングデータを設計、テスト、分析する方法を十分に理解し、それらのデータを他のテスト結果や実際の使用状況と比較する方法を理解できるはずです。