Wpływ ładowania i rozładowywania ogniw litowo-żelazowo-fosforanowo-grafitowych w różnych temperaturach na degradację
18 lipca 2018
Ten artykuł opisuje wpływ różnych temperatur ładowania/rozładowania na degradację ogniw litowo-żelazowo-fosforanowo-grafitowych, dążąc do symulacji scenariuszy zbliżonych do rzeczywistych. W sumie bada się 10 kombinacji temperatur w zakresie od -20 do 30 °C w celu analizy wpływu temperatury na degradację.
Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na pytania dotyczące starzenia się baterii. Cykliczne zmiany temperatur ładowania i rozładowania mogą wpływać na degradację, ponieważ wiele procesów powodujących degradację jest zależnych od temperatury. Główną zaletą tej techniki jest testowanie różnych temperatur ładowania i rozładowywania, ponieważ konwencjonalna metoda testowania wykorzystuje tę samą temperaturę otoczenia do ładowania i rozładowywania.
Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku wspierania przyszłych norm i przepisów poprzez testowanie różnych temperatur ładowania i rozładowania. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat mechanizmów degradacji w różnych temperaturach. Cykle wyższej temperatury zwiększają degradację i zwiększają wzrost warstwy SEI, podczas gdy cykle w niskiej temperaturze powodują litowanie.
Przed eksperymentem należy zaprojektować metody eksperymentalne, aby zidentyfikować optymalne pary temperatur ładowania i rozładowania, aby zminimalizować potrzebną liczbę kombinacji temperatur. Aby rozpocząć proces, umieść dwie torebki litowo-żelazowo-fosforanowo-grafitowe w stanie naładowania 30% w sztywnych uchwytach z poliwęglanu. Umieść ogniwa w oprawach w komorze temperaturowej cyklera akumulatorowego.
Umieść termoparę podłączoną do cyklera baterii na środku jednej strony każdego ogniwa. Podłącz ogniwa do cyklera baterii za pomocą połączenia czteroprzewodowego. W oprogramowaniu cyklera baterii ustaw komorę temperaturową na 25 stopni Celsjusza.
Pozwól komórkom osiągnąć równowagę przez 12 godzin. Następnie utwórz nowy plik w edytorze testów cyklera baterii dla dwuetapowego kondycjonowania ogniw o stałym prądzie i stałym napięciu. Wypełnij kryteria bezpieczeństwa kanału, aby zatrzymać cykle, jeśli stan baterii przekroczy określone limity.
Dodaj stopień rozładowania prądu stałego o współczynniku C od 0,1 do 2,7 wolta. Następnie odpocznij przez 30 minut. Następnie, przy stałym prądzie, ładowanie o stałym napięciu o natężeniu 0,1 C do 3,7 V przy fazie stałego napięcia trwającej jedną godzinę lub do momentu, gdy współczynnik C spadnie do 0,01 C.
I kolejny 30-minutowy okres odpoczynku. Zapisz protokół kondycjonowania po zakończeniu. Utwórz nowy protokół dla kolarstwa referencyjnego.
Ustaw temperaturę komory na 25 stopni Celsjusza i dodaj okres oczekiwania, aż temperatura zmieni się o mniej niż jeden kelwin na godzinę. Dodaj dwa cykle ładowania/rozładowywania prądem stałym z progami ładowania i rozładowania wynoszącymi odpowiednio 3,7 V i 2,7 V, przy współczynniku C 0,3. Postępuj zgodnie z każdym cyklem z okresem oczekiwania, aby temperatura się ustabilizowała.
Zapisz referencyjny protokół rowerowy po zakończeniu. Otwórz metodę kondycjonowania i dodaj cykl referencyjny do kondycjonowania jako podprogram. Następnie otwórz oprogramowanie głównego cyklera baterii.
Kliknij oba kanały z komórkami do przetestowania, aby wybrać kanały i kliknij przycisk Uruchom. Wybierz proces kondycjonowania, podaj nazwę pliku, wprowadź pojemność w amperogodzinach i wybierz komorę temperaturową. Uruchom proces, aby określić początkową pojemność.
Stwórz nowy protokół do długotrwałej jazdy na rowerze z tymi samymi temperaturami ładowania i rozładowania. Zacznij od ustawienia komory na temperaturę docelową i pozwól, aby temperatura ogniwa się zrównoważyła. Ustaw metodę tak, aby wykonywała ładowanie prądem stałym i stałym napięciem do 3,7 V z szybkością C wynoszącą jeden z fazą stałego napięcia trwającą jedną godzinę lub do momentu, gdy szybkość C spadnie do 0,1.
Odpocznij komórki przez 30 minut. Następnie wykonaj rozładowanie prądem stałym do 2,7 V przy tej samej szybkości C i odpocznij ogniwa przez kolejne 30 minut. Powtórz cykle ładowania/rozładowania 100 razy.
Dodaj cykl referencyjny jako podprogram po każdych 25 cyklach. Stwórz kolejny protokół dla długoterminowych cykli z różnymi temperaturami ładowania i rozładowania przy użyciu tych samych progów współczynnika C i napięcia. Ustaw fazy odpoczynku po każdym kroku cyklu, aby poczekać, aż temperatura ogniw się ustabilizuje.
Powtórz cykle ładowania/rozładowania 100 razy z cyklami referencyjnymi co 25 cykli. Zapisz metodę po zakończeniu. Na podstawie tych protokołów należy stworzyć długoterminowe protokoły cykliczne dla kombinacji temperatur zidentyfikowanych przez projekt metod eksperymentalnych.
Następnie wróć do głównego programu cyklera baterii. Wybierz kanały dla komórek, które mają zostać przetestowane. Wybierz żądany długoterminowy program jazdy na rowerze.
Wpisz nazwę pliku dla danych. Wybierz komorę temperaturową i rozpocznij długotrwały cykl. Powtórz test raz na świeżej komórce, aby ocenić powtarzalność.
Po zakończeniu elektrochemicznych testów cyklicznych otwórz szablon wizualizacji danych w oprogramowaniu do cyklicznego odtwarzania baterii. Następnie otwórz zapisane dane cykliczne i oceń degradację komórek w czasie. Następnie otwórz dane w oprogramowaniu analitycznym i wybierz pasowanie krokowe z funkcją max K-fold R-square.
Dopasuj dane, oceń podzbiory i wybierz najlepszą ogólną wartość R-kwadrat, aby uniknąć nadmiernego dopasowania. Następnie kliknij przycisk Utwórz model, aby zwizualizować dopasowane dane. Oceń parametry wymienione w podsumowaniu efektów i usuń wszystkie parametry wyświetlane jako nieistotne.
Wyświetl ostateczną wizualizację szybkości degradacji i dostosuj ustawienia wyglądu zgodnie z potrzebami. Powtórz ten proces dla wszystkich badanych komórek. Następnie przenieś komórki do obojętnego, wypełnionego gazem schowka rękawicowego.
Zdemontuj ogniwa i rozetnij woreczki ceramicznymi nożyczkami. Wytnij kawałki anod i katod o wymiarach 5 mm na 5 mm. Zamontuj fragmenty elektrod na kikutach próbki skaningowego mikroskopu elektronowego zamocowanych w uchwycie na próbkę.
Umieścić uchwyt na próbkę w szczelnie zamkniętym pojemniku i wyjąć go ze schowka na rękawiczki przez przedsionek. Przenieść uchwyt próbki z komory rękawicowej do komory na próbki SEM za pomocą worka na rękawiczki wypełnionego gazem obojętnym pod nadciśnieniem. Scharakteryzuj co najmniej pięć różnych miejsc na powierzchni każdej próbki, aby zidentyfikować potencjalne niejednorodności powierzchni.
W przypadku cyklicznych zmian zarówno przy temperaturze ładowania, jak i rozładowania wynoszącej 20 stopni Celsjusza, zaobserwowano dramatyczny spadek pojemności w każdym bloku 25 cykli, po którym nastąpiła znaczna rekuperacja podczas cyklu referencyjnego w temperaturze 25 stopni Celsjusza. Jazda na rowerze w temperaturze 12 stopni Celsjusza lub 30 stopni Celsjusza powodowała znacznie większy spadek pojemności niż jazda na rowerze w temperaturze 5 stopni Celsjusza lub 5 stopni Celsjusza. Podczas jazdy cyklicznej przy danej temperaturze ładowania zaobserwowano wyższą stabilność długoterminową przy niższych temperaturach tłoczenia.
Podobnie, podczas cyklicznych prac przy danej temperaturze rozładowania, wyższą stabilność długoterminową obserwowano zwykle przy niższych temperaturach ładowania. Ogniwa poddawane cyklicznie z temperaturą rozładowania 20 stopni Celsjusza i temperaturą ładowania 0 stopni Celsjusza lub 15 stopni Celsjusza wykazały niewielki powrót pojemności po cyklach referencyjnych z mniej dotkliwymi spadkami pojemności w cyklu długoterminowym niż obserwowano przy temperaturze ładowania 20 stopni Celsjusza. Na podstawie uzyskanych danych stworzono model w celu opisania zależności między temperaturami ładowania i tłoczenia oraz szybkości degradacji, co pozwoliło na określenie optymalnych temperatur w zależności od potencjalnego zastosowania.
Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy omówiliśmy, jak zmiany temperatur wpływają na trwałość baterii. Przeanalizowaliśmy standardy testowania i zdaliśmy sobie sprawę, że testy są w większości wykonywane w tej samej temperaturze otoczenia. Jednak akumulatory mają do czynienia z ciągle zmieniającymi się temperaturami z powodu zmian sezonowych, zmian dnia i nocy oraz temperatur roboczych otaczających urządzeń.
W danym zakresie temperatur może występować bardzo duża liczba permutacji temperatury ładowania i rozładowania. W związku z tym stosujemy optymalne projektowanie eksperymentów, aby zminimalizować liczbę testów potrzebnych do maksymalnego uzyskania informacji. Technika ta utorowała drogę do opracowania lepszych standardów techniki degradacji dopasowanych do celu, o warunkach porównywalnych do rzeczywistych zastosowań.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak projektować, testować i analizować dane dotyczące cykli baterii oraz porównywać te dane z innymi wynikami testów i rzeczywistym użytkowaniem.
Przegląd
Niniejszy artykuł bada wpływ zmiennych temperatur ładowania i rozładowywania na degradację ogniw pouch litowo-żelazowo-fosforanowo-grafitowych. W celu symulacji rzeczywistych scenariuszy oraz zrozumienia mechanizmów degradacji przeanalizowano łącznie 10 kombinacji temperatur w zakresie od -20 do 30 °C.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Technologia baterii
- Elektrochemia
- Inżynieria materiałowa
Wprowadzenie
- Starzenie się baterii zależy od procesów zależnych od temperatury.
- Konwencjonalne metody testowania zazwyczaj wykorzystują jedną temperaturę zarówno podczas ładowania, jak i rozładowania.
- Zrozumienie mechanizmów degradacji jest kluczowe dla poprawy wydajności baterii.
- Celem niniejszego badania jest uzyskanie informacji na temat tego, jak różne temperatury wpływają na żywotność baterii.
Cel badania
- Zbadanie wpływu różnych temperatur ładowania i rozładowywania na degradację baterii.
- Symulacja warunków rzeczywistych w celu lepszego zrozumienia procesu starzenia się baterii.
- Wsparcie przyszłych norm i regulacji w zakresie testowania baterii.
Zastosowane metody
- Projektowanie doświadczeń w celu wyznaczenia optymalnych par temperatur.
- Wykorzystanie cyklera baterii do kontrolowanego ładowania i rozładowywania.
- Protokoły długoterminowego cykliowania przy zmiennych temperaturach.
- Wizualizacja i analiza danych w celu oceny degradacji w czasie.
Główne wyniki
- Wyższe temperatury podczas cyklowania nasilają degradację i zwiększają wzrost warstwy SEI.
- Cyklowanie w niskich temperaturach prowadzi do osadzania litu.
- Przy 20 °C zaobserwowano znaczny spadek pojemności z regeneracją podczas cyklowania referencyjnego.
- Analiza danych pozwoliła na uzyskanie wglądu w szybkości i mechanizmy degradacji.
Wnioski
- Różne temperatury ładowania i rozładowania istotnie wpływają na degradację baterii.
- Niniejsze badanie dostarcza podstaw dla przyszłych standardów testowania baterii.
- Zrozumienie tych efektów może prowadzić do udoskonalenia konstrukcji baterii oraz wydłużenia ich żywotności.
Najczęściej zadawane pytania
Kluczowe zastosowania przemysłowe
Systematyczna ocena degradacji ogniw litowo-żelazowo-fosforanowo-grafitowych w różnych temperaturach ładowania i rozładowywania dostarcza cennych informacji dla modelowania predykcyjnego starzenia się baterii. Ilościowa analiza permutacji temperatury umożliwia mechanistyczną redukcję ryzyka i wspiera opracowanie rygorystycznych norm wydajności baterii w zmiennych środowiskach operacyjnych. Wyniki te stanowią podstawę strategii B+R w zakresie optymalizacji niezawodności baterii oraz zarządzania cyklem życia w zaawansowanych zastosowaniach magazynowania energii.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia badanie mechanizmów degradacji zależnych od temperatury, które mają znaczenie dla stabilności materiału.
- Wspiera walidację funkcjonalną komponentów baterii w warunkach stresorów istotnych fizjologicznie i operacyjnie.
- Ułatwia uzyskanie wiarygodnych przewidywań dotyczących wydajności baterii w kontekście integracji z urządzeniami i badań translacyjnych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Ustanawia zwalidowane protokoły cykliczne dla powtarzalnej oceny szybkości degradacji.
- Zapewnia wyniki ilościowe do analizy porównawczej wpływu temperatury ładowania/rozładowania.
- Umożliwia standaryzację warunków testowych dla benchmarkingu międzybadawczego i międzyplatformowego.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dostosowuje badania laboratoryjne do rzeczywistych scenariuszy operacyjnych w celu zwiększenia istotności translacyjnej.
- Zapewnia ciągłość procesu od oceny materiałów na etapie odkryć po przedkliniczne testowanie urządzeń.
- Umożliwia dostosowany do ryzyka rozwój technologii baterii dla środowisk regulowanych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum od etapu odkryć do badań przedklinicznych, umożliwiając opartą na hipotezach ocenę degradacji baterii w zmiennych warunkach temperatury.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez mechanistycznych dotyczących szlaków degradacji indukowanej temperaturą.
- Screening: Dostarcza powtarzalnych, ilościowych parametrów degradacji do porównywania warunków.
- Analityka: Zapewnia wyniki statystyczne, w tym dopasowanie modelu i analizę wariancji, w celu wsparcia procesów decyzyjnych.
- Badania translacyjne: Łączy laboratoryjne protokoły cyklowania z istotnymi operacyjnie przypadkami użycia.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje skalowalną strukturę do ciągłej oceny wydajności baterii w wielu projektach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie mechanizmów starzenia i degradacji baterii.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje protokoły cyklowania w celu zapewnienia powtarzalności i porównywalności między laboratoriami.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o kontynuacji lub zaprzestaniu rozwoju i wdrażania technologii bateryjnych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację materiałów i konfiguracji baterii z uwzględnieniem dostosowania do ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w cyklowaniu elektrochemicznym i statystycznej analizie danych.
- Wymaga dostępu do programowalnych cyklerów baterii oraz komór z kontrolowaną temperaturą.
- Wymaga uzgodnienia między zespołami w zakresie standaryzacji protokołu i interpretacji danych.
- Możliwość adaptacji do różnych chemii ogniw i scenariuszy operacyjnych po przeprowadzeniu odpowiedniej walidacji.
- Ograniczenie wynikające z konieczności starannego zaprojektowania eksperymentów, aby zmaksymalizować zysk informacyjny przy minimalnym obciążeniu testowym.
Najczęściej zadawane pytania dot. Biofarmacji
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
