Het Effect van laden en ontladen van Lithium ijzer fosfaat-graphite cellen bij verschillende temperaturen op degradatie
18 juli 2018
Dit artikel beschrijft het effect van ongelijke laden/ontladen temperaturen op de afbraak van lithium ijzer fosfaat-graphite zakje cellen, die gericht zijn op het simuleren dicht bij echte ziektegeval scenario. In totaal worden 10 temperatuur combinaties onderzocht in het bereik van -20 tot 30 ° C om te analyseren het effect van temperatuur op degradatie.
Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van vragen over batterijveroudering. Het variëren van de laad- en lostemperatuur kan invloed hebben op de achteruitgang, omdat veel processen die degradatie veroorzaken temperatuurafhankelijk zijn. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is het testen van verschillende laad- en lostemperaturen, terwijl conventionele testmethoden dezelfde omgevingstemperatuur voor laden en lossen gebruiken.
De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot het ondersteunen van toekomstige normen en voorschriften met het testen van verschillende laad- en lostemperaturen. Deze methode kan inzicht bieden in degradatiemechanismen bij verschillende temperaturen. Hogere temperatuurcycli verhogen de degradatie en verhogen de groei van de SEI-laag, terwijl lage temperatuurcycli resulteren in lithiumplatering.
Voorafgaand aan het experiment, gebruik design of experiment-methoden om de optimale paar laad- en lostemperaturen te identificeren om het aantal benodigde temperatuurcombinaties te minimaliseren. Om het proces te starten, plaatst u twee lithiumijzerfosfaat-grafiet pouch cellen met 30% laadtoestand in stijve, polycarbonaathouders. Plaats de cellen in armaturen in een temperatuurkamer van de batterijcyclus.
Plaats een thermokoppel verbonden met de batterijcyclus op het centrum van een zijde van elke cel. Verbind de cellen met de batterijcyclus via een vierdraads verbinding. Stel in de batterijcyclussoftware de temperatuurkamer in op 25 graden Celsius.
Laat de cellen 12 uur gelijkmaken. Maak vervolgens een nieuw bestand in de batterijcyclustesteditor voor twee-staps, constante stroom, constante spanning cellacclimatisatie. Vul de veiligheidscriteria van het kanaal in om het cyclussen te stoppen als de batterijcondities de opgegeven limieten overschrijden.
Voeg een constante stroom loslaststap toe met een C-snelheid van 0,1 tot 2,7 volt. Volg dit met een rustperiode van 30 minuten. Vervolgens, bij een constante stroom, constante spanning lading op 0,1 C-snelheid tot 3,7 volt met de constante spanningsfase die een uur duurt of totdat de C-snelheid daalt tot 0,01C.
En nog een rustperiode van 30 minuten. Sla het acclimatisatieprotocol op wanneer u klaar bent. Maak een nieuw protocol voor referentiecyclus.
Stel de kamertemperatuur in op 25 graden Celsius en voeg een wachtperiode toe totdat de temperatuur varieert met minder dan één Kelvin per uur. Voeg twee constante stroom laad-/loscycli toe met laad- en losdrempels van respectievelijk 3,7 volt en 2,7 volt, bij een C-snelheid van 0,3. Volg elke cyclus met een wachtperiode om de temperatuur te laten stabiliseren.
Sla het referentiecyclusprotocol op wanneer u klaar bent. Open de acclimatisatiemethode en voeg de referentiecyclus toe aan de acclimatisatie als een sub-routine. Open vervolgens de hoofdbatterijcyclussoftware.
Klik op beide kanalen met cellen om te worden getest om de kanalen te selecteren en klik op de knop Uitvoeren. Selecteer het acclimatisatieproces, geef een bestandsnaam op, voer de capaciteit in ampère-uren in en selecteer de temperatuurkamer. Voer het proces uit om de initiële capaciteit te bepalen.
Maak een nieuw protocol voor langdurig cyclussen met dezelfde laad- en lostemperaturen. Begin met het instellen van de kamer op de gewenste temperatuur en laat de celtemperatuur gelijkmaken. Stel de methode in om constante stroom, constante spanning lading uit te voeren tot 3,7 volt bij een C-snelheid van één met de constante spanningsfase die een uur duurt of totdat de C-snelheid daalt tot 0,1.
Laat de cellen 30 minuten rusten. Voer vervolgens constante stroom loslast uit tot 2,7 volt bij dezelfde C-snelheid en laat de cellen nog eens 30 minuten rusten. Herhaal de laad/loscycli 100 keer.
Voeg de referentiecyclus toe als sub-routine na elke 25 cycli. Maak een ander protocol voor langdurig cyclussen met verschillende laad- en lostemperaturen met behulp van dezelfde C-snelheid en spanningsdrempels. Stel de rustfasen na elke cyclusstap in om te wachten tot de celtemperatuur is gestabiliseerd.
Herhaal de laad/loscycli 100 keer met referentiecyclus elke 25 cycli. Sla de methode op wanneer u klaar bent. Baseer op deze protocollen langetermijncyclusprotocollen voor de temperatuurcombinaties geïdentificeerd door design of experiment-methoden.
Keer vervolgens terug naar het hoofdbatterijcyclusprogramma. Selecteer de kanalen voor de cellen om te worden getest. Selecteer het gewenste langdurige cyclusprogramma.
Vul een bestandsnaam in voor de gegevens. Selecteer de temperatuurkamer en start het langdurige cyclussen. Herhaal de test eenmaal op een nieuwe cel om de herhaalbaarheid te beoordelen.
Zodra de elektrochemische cyclustests zijn voltooid, opent u een gegevensvisualisatietemplate in de batterijcyclussoftware. Open vervolgens de opgeslagen cyclusgegevens en beoordeel de celdegradatie in de loop van de tijd. Open vervolgens de gegevens in analysesoftware en selecteer een stapsgewijze fit met een max K-fold R-square-functie.
Fit de gegevens, evalueer de subsets en selecteer de beste algemene R-kwadraatwaarde om overpassing te voorkomen. Klik vervolgens op Model maken om de aangepaste gegevens te visualiseren. Evalueer de parameters vermeld in de effectensamenvatting en verwijder eventuele parameters die als niet significant worden weergegeven.
Bekijk de visuele weergave van de uiteindelijke degradatiesnelheid en pas de weergave-instellingen aan zoals gewenst. Herhaal dit proces voor alle geteste cellen. Breng vervolgens de cellen over naar een inerte, gasgevulde handschoenenkast.
Demonteer de cellen en snijd de zakjes open met keramische scharen. Snijd 5 mm bij 5 mm stukken van de anodes en kathodes. Monteer de elektrodestukjes op scanning elektronenmicroscoop monsterstubs bevestigd in een monsterstandaard.
Plaats de monsterstandaard in een verzegelde container en verwijder deze via de voorkamer uit de handschoenenkast. Breng de monsterstandaard van de handschoenenkast over naar de SEM-monsterkamer via een handschoenzak gevuld met inert gas bij een positieve druk. Karakteriseren op zijn minst vijf verschillende locaties op het
Overzicht
Dit artikel onderzoekt de impact van variërende laad- en ontlaadtemperaturen op de degradatie van lithiumijzerfosfaat-grafiet pouchcellen. In totaal worden 10 temperatuurcombinaties variërend van -20 tot 30 °C geanalyseerd om realistische scenario's te simuleren en degradatiemechanismen te begrijpen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Batterijtechnologie
- Elektrochemie
- Materiaalkunde
Achtergrond
- Batterijveroudering wordt beïnvloed door temperatuurafhankelijke processen.
- Conventionele testmethoden maken doorgaans gebruik van één enkele temperatuur voor zowel het opladen als het ontladen.
- Inzicht in degradatiemechanismen is cruciaal voor het verbeteren van de batterijprestaties.
- Deze studie heeft tot doel inzicht te verschaffen in hoe verschillende temperaturen de levensduur van de batterij beïnvloeden.
Doel van de studie
- Om de effecten van verschillende oplaad- en ontlaadtemperaturen op batterijdegradatie te onderzoeken.
- Om praktijkomstandigheden te simuleren voor een beter begrip van batterijveroudering.
- Om toekomstige normen en regelgeving voor batterijtesten te ondersteunen.
Gebruikte methoden
- Ontwerp van experimenten om optimale temperatuurparen te identificeren.
- Gebruik van een batterijcycler voor gecontroleerd laden en ontladen.
- Langetermijn-cycleringsprotocollen met variërende temperaturen.
- Datavisualisatie en analyse om degradatie in de loop van de tijd te beoordelen.
Belangrijkste resultaten
- Cyclen bij hogere temperaturen versterkt de degradatie en verhoogt de groei van de SEI-laag.
- Cyclen bij lage temperaturen leidt tot lithiumplating.
- Significante capaciteitsafname waargenomen bij 20 °C met recuperatie tijdens referentiecyclen.
- Data-analyse leverde inzichten op in degradatiesnelheden en -mechanismen.
Conclusies
- Verschillende temperaturen tijdens het laden en ontladen hebben een aanzienlijke invloed op de degradatie van de batterij.
- Deze studie biedt een kader voor toekomstige testnormen voor batterijen.
- Inzicht in deze effecten kan leiden tot een verbeterd batterijontwerp en een langere levensduur.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie
Systematische evaluatie van de degradatie van lithiumijzerfosfaat-grafietcellen bij diverse laad- en ontlaadtemperaturen biedt bruikbare inzichten voor voorspellende modellering van batterijveroudering. Kwantitatieve analyse van temperatuurpermutaties maakt mechanische risicoreductie mogelijk en ondersteunt de ontwikkeling van robuuste normen voor batterijprestaties in variabele operationele omgevingen. Deze bevindingen informeren R&D-strategieën voor het optimaliseren van batterijbetrouwbaarheid en levenscyclusbeheer in geavanceerde energieopslagtoepassingen.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt onderzoek mogelijk naar temperatuurafhankelijke degradatiemechanismen die relevant zijn voor de stabiliteit van materialen.
- Ondersteunt functionele validatie van batterijcomponenten onder fysiologisch en operationeel relevante stressfactoren.
- Faciliteert voorspellende betrouwbaarheid van batterijprestaties voor apparaatintegratie en translationeel onderzoek.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Stelt gevalideerde cyclusprotocollen vast voor een reproduceerbare bepaling van degradatiesnelheden.
- Levert kwantitatieve resultaten voor een vergelijkende analyse van de effecten van de temperatuur tijdens het laden en ontladen.
- Maakt standaardisatie van testcondities mogelijk voor benchmarking tussen verschillende studies en platforms.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt laboratoriumtesten af met operationele scenario's uit de praktijk om de translationele relevantie te vergroten.
- Ondersteunt de continuïteit van materiaalevaluatie in de ontdekkingsfase tot preklinische apparaattesten.
- Informeert de risico-gecorrigeerde verdere ontwikkeling van batterijtechnologieën voor gereguleerde omgevingen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze methode integreert in het continuüm van ontdekking tot preklinisch onderzoek door een hypothesegestuurde evaluatie van batterijdegradatie onder variabele temperatuuromstandigheden mogelijk te maken.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt het mechanistische testen van hypothesen over temperatuurgeïnduceerde degradatiepaden.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve degradatiemetrieken voor het vergelijken van condities.
- Analytiek: Biedt statistische outputs, inclusief modelpassing en variantieanalyse, ter ondersteuning van de besluitvorming.
- Translationeel onderzoek: Slaat een brug tussen laboratoriumcyclingsprotocollen en operationeel relevante gebruiksscenario's.
- Bedrijfsvoering en hergebruik: Biedt een schaalbaar raamwerk voor de voortdurende evaluatie van batterijprestaties over verschillende projecten heen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in batterijveroudering en degradatiemechanismen.
- Operationele waarde: Standardiseert cyclusprotocollen voor reproduceerbaarheid en vergelijkbaarheid tussen laboratoria.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen voor de vooruitgang en implementatie van batterijtechnologie.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van batterijmaterialen en configuraties mogelijk.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in elektrochemische cycli en statistische data-analyse.
- Vereist toegang tot programmeerbare batterij-cyclers en temperatuurgecontroleerde kamers.
- Necessiteert overeenstemming tussen teams over protocolstandaardisatie en datainterpretatie.
- Aanpasbaar aan diverse celchemieën en operationele scenario's met de juiste validatie.
- Beperkt door de noodzaak voor zorgvuldig ontwerp van experimenten om de informatieverwerving te maximaliseren met een minimale testbelasting.
Veelgestelde vragen over Biofarmaceutica
Chapters in this video
0:04
Title
0:59
Electrochemical Cycling Preparation
4:03
Long-Term Electrochemical Cycling (Tc = Td, Tc ≠ Td)
6:00
Degradation Rate Assessment and Post-Test Characterization
7:55
Results: Effects of Different Charge and Discharge Temperatures on LiFePO4 Capacity Retention
9:28
Conclusion
