O efeito de carregamento e de descarregamento de lítio ferro fosfato-grafite células em diferentes temperaturas na degradação

Este método pode ajudar a responder a perguntas sobre o envelhecimento da bateria. O ciclo de temperaturas de carga e descarga diferentes pode influenciar a degradação, pois muitos processos que causam degradação dependem da temperatura. A principal vantagem desta técnica é testar diferentes temperaturas de carga e descarga, pois o método de teste convencional usa a mesma temperatura ambiente para carregar e descarregar.

As implicações dessa técnica se estendem ao suporte a padrões e regulamentos futuros com testes de diferentes temperaturas de carga e descarga. Este método pode fornecer uma visão sobre os mecanismos de degradação em diferentes temperaturas. O ciclo de temperatura mais alta aumenta a degradação e aumenta o crescimento da camada de SEI, enquanto o ciclo de baixa temperatura resulta em revestimento de lítio.

Antes do experimento, use o projeto de métodos experimentais para identificar os pares ideais de temperaturas de carga e descarga para minimizar o número necessário de combinações de temperatura. Para iniciar o processo, coloque duas células de bolsa de fosfato de ferro-lítio e grafite a 30% do estado de carga em suportes rígidos de policarbonato. Coloque as células em acessórios em uma câmara de temperatura do ciclador de bateria.

Coloque um termopar conectado ao ciclador de bateria no centro de um lado de cada célula. Conecte as células ao ciclador de bateria por meio de uma conexão de quatro fios. No software do ciclador de bateria, defina a câmara de temperatura para 25 graus Celsius.

Deixe as células se equilibrarem por 12 horas. Em seguida, crie um novo arquivo no editor de teste do ciclador de bateria para condicionamento de célula de tensão constante de corrente constante em duas etapas. Preencha os critérios de segurança do canal para interromper o ciclo se as condições da bateria excederem os limites especificados.

Adicione uma etapa de descarga de corrente constante a uma taxa C de 0,1 a 2,7 volts. Siga isso com um descanso de 30 minutos. Então, em uma corrente constante, a tensão constante é carregada de 0,1 a 3,7 volts com a fase de tensão constante durando uma hora ou até que a taxa C caia para 0,01C.

E outro período de descanso de 30 minutos. Salve o protocolo de condicionamento quando terminar. Crie um novo protocolo para o ciclo de referência.

Defina a temperatura da câmara para 25 graus Celsius e adicione um período de espera até que a temperatura varie menos de um Kelvin por hora. Adicione dois ciclos de carga/descarga de corrente constante com limites de carga e descarga de 3.7 volts e 2.7 volts, respectivamente, a uma taxa C de 0.3. Siga cada ciclo com um período de espera para permitir que a temperatura se estabilize.

Salve o protocolo de ciclo de referência quando terminar. Abra o método de condicionamento e adicione o ciclo de referência ao condicionamento como uma sub-rotina. Em seguida, abra o software principal do ciclador de bateria.

Clique em ambos os canais com células a serem testadas para selecionar os canais e clique no botão Executar. Selecione o processo de condicionamento, forneça um nome de arquivo, insira a capacidade em amperes-hora e selecione a câmara de temperatura. Execute o processo para determinar a capacidade inicial.

Crie um novo protocolo para ciclos de longo prazo com as mesmas temperaturas de carga e descarga. Comece ajustando a câmara para a temperatura alvo e permitindo que a temperatura da célula se equilibre. Defina o método para realizar corrente constante, tensão constante de carregamento para 3.7 volts a uma taxa C de um com a fase de tensão constante durando uma hora ou até que a taxa C caia para 0.1.

Descanse as células por 30 minutos. Em seguida, execute uma descarga de corrente constante para 2,7 volts na mesma taxa C e descanse as células por mais 30 minutos. Repita os ciclos de carga/descarga 100 vezes.

Adicione o ciclo de referência como sub-rotina a cada 25 ciclos. Crie outro protocolo para ciclos de longo prazo com diferentes temperaturas de carga e descarga usando a mesma taxa C e limites de tensão. Defina as fases de descanso após cada etapa do ciclo para aguardar até que a temperatura da célula se estabilize.

Repita os ciclos de carga/descarga 100 vezes com ciclos de referência a cada 25 ciclos. Salve o método quando terminar. Com base nesses protocolos, crie protocolos de ciclagem de longo prazo para as combinações de temperatura identificadas pelo design de métodos experimentais.

Em seguida, retorne ao programa principal do ciclador de bateria. Selecione os canais para as células a serem testadas. Selecione o programa de ciclismo de longo prazo desejado.

Preencha um nome de arquivo para os dados. Selecione a câmara de temperatura e inicie o ciclo de longo prazo. Repita o teste uma vez em uma célula nova para avaliar a repetibilidade.

Assim que os testes de ciclo eletroquímico forem concluídos, abra um modelo de visualização de dados no software de ciclo de bateria. Em seguida, abra os dados de ciclo salvos e avalie a degradação celular ao longo do tempo. Em seguida, abra os dados no software de análise e selecione um ajuste passo a passo com uma função quadrada R de K dobras máximas.

Ajuste os dados, avalie os subconjuntos e selecione o melhor valor geral de R-quadrado para evitar o ajuste excessivo. Em seguida, clique em Criar modelo para visualizar os dados ajustados. Avalie os parâmetros listados no Resumo de efeitos e exclua todos os parâmetros mostrados como não significativos.

Visualize a visualização final da taxa de degradação e ajuste as configurações de aparência conforme desejado. Repita esse processo para todas as células testadas. Em seguida, transfira as células para um porta-luvas inerte cheio de gás.

Desmonte as células e abra as bolsas com uma tesoura de cerâmica. Corte pedaços de 5 mm por 5 mm dos ânodos e cátodos. Monte as peças do eletrodo em tocos de amostra de microscópio eletrônico de varredura fixados em um suporte de amostra.

Insira o porta-amostras em um recipiente fechado e remova-o do porta-luvas através da antecâmara. Transfira o porta-amostras do porta-luvas para a câmara de amostras SEM através de um porta-luvas cheio de gás inerte a uma pressão positiva. Caracterize pelo menos cinco locais diferentes na superfície de cada amostra para identificar possíveis heterogeneidades na superfície.

Quando ciclado com as temperaturas de carga e descarga em 20 graus Celsius, um decaimento dramático da capacidade foi observado em cada bloco de 25 ciclos, seguido por uma recuperação significativa durante o ciclo de referência a 25 graus Celsius. Andar de bicicleta a 12 graus Celsius ou 30 graus Celsius resultou em um declínio de capacidade notavelmente maior do que andar de bicicleta a 5 graus Celsius ou 5 graus Celsius. Ao alternar em uma determinada temperatura de carga, maior estabilidade a longo prazo foi observada em temperaturas de descarga mais baixas.

Da mesma forma, ao ciclar em uma determinada temperatura de descarga, maior estabilidade a longo prazo foi geralmente observada em temperaturas de carga mais baixas. As células cicladas com a temperatura de descarga de 20 graus Celsius e temperaturas de carga de 0 graus Celsius ou 15 graus Celsius mostraram recuperação modesta da capacidade após o ciclo de referência com quedas menos severas na capacidade durante o ciclo de longo prazo do que foi observado com uma temperatura de carga de 20 graus Celsius. Um modelo foi derivado dos dados para descrever as relações entre as temperaturas de carga e descarga e as taxas de degradação, permitindo que as temperaturas ótimas sejam identificadas dependendo da aplicação potencial.

Tivemos a ideia desse método pela primeira vez quando discutimos como as variações de temperatura afetam a durabilidade de uma bateria. Analisamos os padrões de teste e percebemos que o teste é feito principalmente na mesma temperatura ambiente. No entanto, as baterias enfrentam temperaturas que variam continuamente devido a mudanças sazonais, variação dia/noite e temperaturas operacionais dos equipamentos ao redor.

Pode haver um número extremamente grande de permutações de temperatura de carga e descarga em uma determinada faixa de temperatura. Portanto, usamos o planejamento ideal de experimentos para minimizar o número de testes necessários para o ganho máximo de informações. Essa técnica abriu o caminho para o desenvolvimento de melhores padrões de técnica de degradação adequados ao propósito com condições comparáveis ao uso na vida real.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como projetar, testar e analisar dados de ciclo da bateria e compará-los com outros resultados de teste e com o uso na vida real.