Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Het Effect van laden en ontladen van Lithium ijzer fosfaat-graphite cellen bij verschillende temperaturen op degradatie

Published: July 18, 2018 doi: 10.3791/57501
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 2, 1
1Directorate for Energy, Transport & Climate, Energy Storage Unit, European Commission, Joint Research Centre (JRC), 2Lithops S.r.l

Summary

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.

Abstract

Het effect van laden en ontladen van lithium ijzer fosfaat-graphite cellen bij verschillende temperaturen op hun afbraak wordt systematisch geëvalueerd. De afbraak van de cellen wordt beoordeeld met behulp van 10 laden en ontladen van permutaties van de temperatuur variërend van-20 ° C tot 30 ° C. Hierdoor is een analyse van het effect van kosten en geen kwijting temperaturen op veroudering en hun verenigingen. Een totaal van 100 gratis/laadcycli werden uitgevoerd. Elke 25 cycli een referentie-cyclus werd uitgevoerd ter beoordeling van de aantasting van het omkeerbare en onomkeerbare capaciteit. Een meerledige variantie-analyse werd gebruikt, en de experimentele resultaten werden uitgerust met: i) een kwadratische relatie tussen het percentage afbraak en de temperatuur kosteloos, ii) een lineaire relatie met de temperatuur van de kwijting, en iii) een correlatie tussen de temperatuur kosteloos en geen kwijting. Bleek dat de temperatuur combinatie voor bij + 30 ° C laden en ontladen bij-5 ° C heeft geleid tot het hoogste percentage afbraak. Aan de andere kant, leidde de fietsen in een temperatuurbereik van-20 ° C tot 15 ° C (met verschillende combinaties van temperatuur en geen kwijting), tot een veel lagere degradatie. Bovendien, wanneer de temperatuur in de kamer 15 ° C is, bleek dat het achteruitgang onderlinge op de temperatuur van de geen kwijting is.

Introduction

Duurzaamheid is uitgegroeid tot een van de cruciale onderwerpen van belang in lithium-ion batterijen (LIB)1,2,3 onderzoek, gedrag van de veiligheid, prestaties en kosten niet te verwaarlozen. Aantasting van de batterij is vooral een uitdaging voor e-mobiliteit toepassingen zoals een relatief lange levensduur vereist4,5,6 is , in vergelijking met andere toepassingen (bijvoorbeeld, een paar jaar voor consument elektronica). De initiële prestaties van LIBs (bijvoorbeeldop het gebied van capaciteit en weerstand) verslechtert na verloop van tijd als gevolg van elektrochemische en kalender van veroudering. Vele factoren (bijvoorbeeld, elektrode materiaal, omgevingsfactoren, huidige ladingen en licht-donkerscheiding spanningen) kunnen afbraak doorslaggevend. De literatuur geeft temperatuur als een van de belangrijkste factoren die de afbraak van de elektrode actieve materialen en elektrode-elektrolyt kant reacties7. Ondanks de enorme hoeveelheid publicaties in de literatuur behandelt batterij duurzaamheid op verschillende temperaturen1,8,9,10,11, 12, deze studies zijn alleen de specifieke cellen, methoden en instellingen gebruikt. Vandaar, extrapolatie naar andere cellen is niet triviaal, een kwantitatieve vergelijking tussen verschillende onderzoeken moeilijk maken.

Het kan worden verwacht dat de Wielersport op verschillende laden en ontladen enige invloed op het gedrag van de afbraak van de batterij wellicht omdat veel van de processen die achteruitgang veroorzaakt temperatuur afhankelijk zijn. Bovendien, in een aantal toepassingen, verschillende laden en ontladen van temperaturen vertegenwoordigen een meer overtuigende scenario [bv, de batterij van een e-bike in een temperatuur gecontroleerde omgeving (indoor) in rekening gebracht en de e-bike gefietst (d.w.z. , ontladen) bij verschillende temperaturen (buiten); seizoens- en dagelijkse temperatuurschommelingen zijn ervaren in vele toepassingen]. Echter studeren veroudering testresultaten gepubliceerd in de literatuur meestal dezelfde temperatuur voor het laden en ontladen van de stappen. Ook relevante normen13,14,15,16,17 en test methode handleidingen18,19,20 gebruiken dezelfde temperatuur. We vonden in de literatuur één voorbeeld van de Wielersport op verschillende temperaturen (bijvoorbeeld45 ° C, 65 ° C)21 voor de lading en de kwijting. De auteurs van dit werk beschreven een hoger fade in capaciteit op de hogere temperatuur van de kwijting, die werd toegeschreven aan solide elektrolyt interface (SEI) laag groei en lithium plating21. De evaluatie van de aantasting van de batterij onder voorwaarden vertegenwoordiger van realistische scenario's is wenselijk. Toekomstige normen en voorschriften kunnen profiteren van de resultaten gepresenteerd in dit werk voor het testen van lading en kwijting op verschillende temperaturen22.

Als algemene regel, hogere testen temperaturen versnellen afbraak1,11,12, verbeteren van de groei van de SEI11,23,24, en bevordering van de variaties in de SEI 11,23. Aan de andere kant, lage-temperatuur fietsen resulteert in onwaarschijnlijke uitdagingen: plating en dendriet groei worden vergemakkelijkt (langzame lithium-ion diffusie)25,26,27,28. Lithium-metaal kan reageren met het elektrolyt leidt tot een verminderde duurzaamheid verder en verminderde veiligheid graad28,29.

Wang et al. 8 gepubliceerd dat de fade in capaciteit gevolgd een vermogen wet relatie met de gratis doorvoer (temperaturen tussen 15 ° C en 60 ° C). Andere auteurs hebben een vierkantswortel van tijd relatie met fade-in capaciteit10,30,31,32,33,34beschreven. Dit wordt geacht worden te vertegenwoordigen de onomkeerbare capaciteitsverlies toegeschreven aan de groei van SEI30,31 waar actieve lithium wordt geconsumeerd. De aantasting van de capaciteit kan hebben ook een aandeel van lineaire afbraak met tijd33,34,35. Tot slot, sommige simulaties van het fade-in capaciteit bij verschillende temperaturen zijn gevalideerd met experimentele resultaten en de gegevens toonde een exponentiële afhankelijkheid van de afbraak en temperatuur8,10.

In dit werk, het effect van verschillende temperaturen kosteloos en kwijting over het gedrag van de afbraak van lithium ijzerfosfaat (LFP) / grafiet cellen ontworpen voor sub omgevingstemperaturen wordt beschreven. Het aantal mogelijke temperatuur combinaties werd geminimaliseerd met behulp van een ontwerp van experiment (DOE) methode36; een aanpak die algemeen wordt gebruikt in industriële optimalisatie processen. Deze methode was ook toegepast door Forman et al. 37 te bestuderen van de aantasting van de batterij, de minimale voorspelling fout (D-optimale) verstrekken. U kunt ook Muenzel et al. 38 ontwikkeld een meerledige leven voorspellingsmodel hergebruik van gegevens uit Omar et al. 12. de gegevens werd uitgerust, en een afbraak matrix werd verkregen.

In het huidige werk, was de gegevens die zijn verkregen door een niet-lineaire minste vierkante montage (veelterm) waarin eerste-orde interacties tussen temperaturen kosteloos en geen kwijting gemonteerd. Een variantieanalyse (ANOVA) werd gebruikt voor het evalueren van de coëfficiënten en de graad van de polynoom. De methode helpt te begrijpen van het effect van temperaturen en geen kwijting en hun mogelijke wisselwerkingen. Deze informatie kan worden ter ondersteuning van de vorming van toekomstige fit voor doel en realistische protocollen en standaarden.

Protocol

Opmerking: Het protocol in dit werk gevolgd wordt uitgelegd in detail in Ruiz et al. 39. een samenvatting van de belangrijke stappen vindt u hieronder.

1. pouch cel voorbereiding en vorming

  1. Fabriceren van cellen van de zak in de indeling B5, met de dimensie van 250 mm x 164 mm met een dikte van ongeveer 4 mm, met kunstmatig grafiet als anode materiaal, lithium ijzerfosfaat (LFP) als kathode materiaal en een 25-µm dik polypropyleen scheidingsteken.
  2. 80 g van elektrolyt gebruiken: 1 M LiPF6 in carbonaat: diethyl Ethyleencarbonaat (2:3 w/w) met 1% vinylene carbonaat.
    Opmerking: De etui cel fabricage werd uitgevoerd in een semi-automatische industriële pilot lijn bestaande uit de volgende stappen uit: ik) een drijfmest voorbereiding met het volgende actieve materiaal: grafiet voor de anode en de LFP voor de kathode, een bindmiddel, en geleidende additieven in een lab-schaal mixer, ii) een drijfmest coating op de huidige verzamelaars (aluminiumfolie en koper folie, voor de kathode en anode elektroden, respectievelijk), iii) een kalanders voor een geoptimaliseerde elektrode prestaties in termen van, bijvoorbeeld, elektrode dichtheid, porositeit, dikte, elektronische geleidbaarheid en impedantie, gevolgd door iv) het montage-, elektrolyt vullen en afdichten.
  3. Verrichten van de vorming van de cel. Maak een fietsen protocol met de batterij cycler software met behulp van de volgende stappen uit.
    1. Gebruik de functie Test bouwen van de batterij cycler software. Klik op het pictogram nieuw bestand (Zie de blauwe pijl in aanvullende bestand 1a).
    2. Elke regel in de protocol code verwijst naar een parameter van de fietsen (b.v., rest tijd en licht-donkerscheiding spanning) (aanvullende bestand 1b). Vul elke stap zoals vereist voor het uitvoeren van een tweestaps constante stroom-constante spanning (CC-CV) opladen op 0,1 C tot 3.6 V, met een huidige 10-mA-cutoff en een CC kwijting op 0,1 C tot 2.5 V. Na de vorming stap, laad de accu-cellen bij een 30% staat kosteloos (SOC). Klik op de knop Opslaan en een bestandsnaam opgeven.
    3. Selecteer de cel die moet worden gefietst door te klikken op de bijbehorende kanaal (zie blauwe pijl nr.1 in aanvullende bestand 2). Dat kanaal is gemarkeerd in de kolom "Status" als "geselecteerd". Klik vervolgens op de looppas knoop (zie blauwe pijl nr.2 in aanvullende bestand 2) op de bovenkant van de werkbalk.
    4. Selecteer het protocol (zie blauwe pijl nr.1 in aanvullende bestand 3), de capaciteit (Ah) van de cel (zie blauwe pijl nr.2 in aanvullende bestand 3) instellen en toewijzen van een kamer (zie blauwe pijl nr.3 in aanvullende bestand 3). Definiëren van een geldige bestandsnaam en klik op de knop start .

2. cel armatuur vóór de elektrochemische test

  1. Plaats van elke cel in de overeenkomstige houders, bestaande uit twee stijve platen (met een breedte en lengte van 300 mm x 300 mm, respectievelijk, en een dikte van 12 mm) gemaakt van polycarbonaat.
  2. Plaats een thermokoppel in het midden van één van de kanten van elke cel in de houders te controleren van de oppervlaktetemperatuur variaties.
  3. Plaats de cellen en de armaturen binnen een kamer temperatuur om te controleren de omgevingstemperatuur gedurende het gehele experiment. Plaats twee cellen volgens een identieke protocol in de zelfde kamer temperatuur.
  4. De cellen via een 4-draads verbinding verbinden met de cycler.

3. de elektrochemische fietsen

  1. Mobiele airconditioning
    1. Stel de temperatuur bij 25 ° C in de zaal van het milieu. Laat ten minste 12 uur om een thermische evenwichtsinstelling.
    2. Drie gratis/laadcycli met behulp van een batterij-cycler uitvoeren
      1. Een protocol voor de batterij-cycler, volgt 1.3.1 en 1.3.2 te maken. In dit geval passen de protocol stappen aan een CC-CV opladen op 0,1 C (van de nominale capaciteit) tot 3,7 V (de CV fase tot 0,01 C of 1 h), vervolgens CC kwijting op 0,1 C tot en met 2.7 V. gebruik een 30 min rusten tijd na elke fietsen stap.
      2. Volg stappen 1.3.3 en 1.3.4 voor de selectie van kanaal en protocol.
      3. Wanneer twee cellen worden geplaatst in de zelfde temperatuur kamer (twee cellen na hetzelfde protocol), selecteer de twee bijbehorende kanalen op hetzelfde moment. Dit garandeert de synchronisatie van de fietsen en de kamer temperatuur voorwaarde voor de twee cellen.
    3. Uitvoeren van een referentie-cyclus (stap 3.2) en gebruik het voor de beoordeling van de initiële capaciteit (Ci) (tabel 1).
  2. Verwijst naar fietsen
    1. De verwijzing fietsen als onderdeel van de cel conditionering (stap 3.1.3) en op gezette tijden uit te voeren (dat wil zeggenvolgende 25 op lange termijn veroudering cycli, zie hieronder).
    2. Stel de temperatuur van de kamer bij 25 ° C, wanneer testen wordt uitgevoerd bij een verschillende temperatuur en voldoende tijd voor een thermische stabilisatie (< 1 Kh-1).
    3. Het uitvoeren van twee CC lading/laadcycli met behulp van een batterij-cycler.
      1. Maak een protocol voor de batterij-cycler met de software, als volgt 1.3.1. en 1.3.2. In dit geval passen de protocol stappen naar een CC opladen-ontladen bij 0.3 C (b.v., IEC 62660-1:2011)13. Na elke stap fietsen, extra tijd gunnen om een thermische stabilisatie (< 1 Kh-1).
      2. Volg stappen 1.3.3 en 1.3.4 voor de selectie van kanaal en protocol.
      3. Wanneer twee cellen worden geplaatst in de zelfde temperatuur kamer (twee cellen na hetzelfde protocol), selecteer de twee bijbehorende kanalen op hetzelfde moment. Dit garandeert de synchronisatie van de fietsen en de kamer temperatuur voorwaarde voor de twee cellen.
  3. Op lange termijn (veroudering)
    1. Voeren 100 gratis/laadcycli. Een protocol voor de batterij-cycler met de software, als volgt 1.3.1 en 1.3.2 te maken. In dit geval passen de protocol stappen naar een CC-CV opladen van 1 C tot 3,7 V (CV fase tot 0,1 C of 1 h) en een CC ontladen voor 1 C huidige tot 2.7 V met een constante temperatuur tijdens charge (Tc) en tijdens de kwijting (Td).
    2. Volg stappen 1.3.3 en 1.3.4 voor de selectie van kanaal en protocol.
    3. Uitvoering van de op lange termijn veroudering bij verschillende combinaties van temperatuur (10) voor de 100 gratis/laadcycli uit stap 3.3.1, in de temperatuur bereik van-20 ° C tot 30 ° C (Zie de matrijs van de test in tabel 1) ontwikkeld door DOE D-optimalisatie36 (een minimale fout van voorspelling). Als een rusttijd in het test protocol van 30 min na elke laden of lossen van stap wanneer de Tc en Td dezelfde (tests No. 1 en 2, 3 en 4, 9 en 10, 13 en 14, en 19 en 20, tabel 1). Echter wanneer de Tc en Td verschillend zijn (proeven nr. 11 en 12, 5 en 6, 7 en 8, 15 en 16 en 17 en 18, tabel 1), ingesteld een rusttijd totdat de temperatuur stabiel binnen 1 Kh-1.
    4. Het uitvoeren van een referentie-cyclus na elke set van 25 cycli (zie stap 3.2).
    5. Herhaal elke test eenmaal op een andere verse cel te beoordelen van de herhaalbaarheid.
  4. Aantasting van het tarief
    1. Beoordelen van het gebruik van de afbraak [capaciteit retentie (CR)] van de cel: i) de laatste cyclus van de verwijzing en de eerste verwijzing cyclus, CRref (zie stap 3.2) en ii) de op lange termijn capaciteit retentie vergelijken met de eerste cyclus, CR op lange termijn (zie stap 3.3) en de volgende vergelijkingen (1 en 2):
      (1)Equation 1
      (2)Equation 2
      1. Gebruik de batterij cycler clientsoftware toegang krijgen tot de gegevens van de fietsen. Eerst, selecteer de sjabloon voor visualisatie (bestand open in aanvullende bestand 4), en selecteer de bestandsnaam die is gedefinieerd in stap 3.1.2 of 3.2.3 eventueel.
        Opmerking: Aanvullende bestand 5 ziet u een voorbeeld van de fietsen gegevens, met de capaciteit behouden als een functie van het aantal van de cyclus (aanvullende bestand 5, bovenste grafiek) en de variatie van mogelijkheden, en de huidige en de temperatuur als functie van tijd (aanvullende bestand 5, onderste grafiek). Vergelijkingen (1) en (2) kan worden bepaald rechtstreeks uit de percelen met behulp van de softwaremogelijkheden.
    2. Passen de afbraak tarieven (DR) met behulp van CRref en het totaal aantal cycli (dat wil zeggen, de verwijzing cycli en lange cycli) ervan uitgaande dat de DR is afhankelijk van de lading Tc en kwijting Td temperaturen tot de kwadratische termijn en de interactie tussen deze temperaturen als volgt in vergelijking (3):
      (3)Equation 3
      Opmerking: Parameters Ai en hun statistische significantie worden bepaald door de montage van een minst-plein en een ANOVA, ervan uitgaande dat de onzekerheid van de meting (err) met een afwijking van de σ volgt een normale verdeling. De laatste moet worden bevestigd van de verdeling van de resterende van de pasvorm.
      1. Voor dit doel, door een software te gebruiken met de functie 'Fit model'. Selecteer de optie van de Stepwise (blauwe pijl nr.1 in aanvullende bestand 6) en kies de functie Max K-voudige RSquare (blauwe pijl nr.2 in aanvullende bestand 6) en klik op gaan. Dit verdeelt de dataset naar een subset van een gelijkwaardige opleiding en de montage gebeurt afzonderlijk op elke deelverzameling. Selecteer de beste totale waarde van de RSquare om te voorkomen dat overfitting.
      2. Klik op merk model. Aanvullende bestand 7 toont de resultaten van de montage. Het berekent ook de betekenis (PValue) van elke parameter (eenik). Verwijder de minst significante parameters in de tabel 'Effect Samenvatting'. In dit geval een4 (de kwadratische afhankelijkheid van de temperatuur van de geen kwijting) bleek niet significant. Daarom werd het verwijderd uit verdere analyse. Aanvullende bestand 8 toont de laatste pasvorm met de werkelijke gegevens.

4. post-mortem analyse

  1. Demonteren van de cellen. Deze stap binnen een handschoenenkastje (< 5 ppm voor O2 en H2O) uitvoeren om verontreiniging in de lucht te voorkomen. De cellen van de zak met behulp van keramische schaar te knippen. Snijd kleine delen van de anode en kathode elektroden (5 x 5 mm) en bevestig ze op scannende elektronen microscoop (SEM) monster stubs.
  2. Verontreiniging voorkomen door het plaatsen van de monsterhouder SEM in een verzegelde container en rechtstreeks overdragen naar de monsterkamer SEM door, bijvoorbeeld, het gebruik van een zak van de handschoen aangesloten op de ingang van de kamer die is gevuld met een inert gas.
    1. Ter beperking van de blootstelling aan de lucht, handhaven een overdruk van inert gas in de zak van de handschoen.
  3. Te bestuderen grondig de morfologie van de elektroden voor en na het fietsen, uitvoeren SEM geschikt zijn met behulp van twee detectoren voor de secundaire elektronen: een detector in-lens en een standaard secundaire electron detector. Gebruik als het versnellen van de voedingsspanning bij de detector in-lens en de secundaire electron detector 1 kV en 15 kV, respectievelijk.
  4. Voor elk monster, wordt gekenmerkt door ten minste vijf verschillende locaties van het monster van oppervlak representatieve SEM microfoto en identificeren van potentiële inhomogeneities van het oppervlak. Voor elke locatie uitvoeren SEM beeldvorming op de volgende vergrotingen: 1 kX, 3 kX 5 kX, 10 kX, 20 kX, 50 kX, 75 kX, 100 kX, 150 kX en 200 kX.
  5. Het analyseren van de chemische samenstelling van elke elektrode een spectrometer energie dispersieve x-stralen (EDX), met een 80-mm2 silicon drift detector (SDD).
    1. Gebruik een versnellende spanning van 15 kV en een afstand van 13 mm voor het uitvoeren van de elementaire analyse met behulp van secundaire electron beelden.
    2. Selecteer voor elk materiaal ten minste vijf verschillende locaties op het oppervlak van het model en analyseren van een minimum van 5 punten voor het genereren van spectra.
    3. Gebruik verschillende vergrotingen, variërend van 2 kX tot 25 kX, een semi-kwantitatieve analyses uit te voeren en ook beter richten op een specifieke deeltjes of structurele veranderingen. Dientengevolge, voor elk monster, verzamelen een minimum van 25 EDX-spectra te onderzoeken van de elementaire samenstelling.
    4. Gebruik voordat u de chemische analyse op een bepaalde locatie voor een specimen, koper voor de spectrale kalibratie. Ten slotte, gemiddelde waarden die zijn gemeten op verschillende locaties van elk monster, met betrekking tot de toewijzing van EDX, 2 h van Acquisitietijd gebruikt.

Representative Results

Zakje cellen (operationele spanningsbereik tussen 2,50-3.70 V) met een nominale capaciteit van 6 Ah zijn gebruikt voor deze studie. De resultaten van de karakterisering van hun elektrochemische zijn verdeeld in drie secties: i) fietsen op de dezelfde opladen en ontladen van temperaturen (stap 1.1), ii) fietsen in verschillende afgevoerd temperaturen (en dezelfde lading temperatuur) (stap 1.2) en iii) fietsen in verschillende opladen temperaturen (en dezelfde geen kwijting temperatuur) (stap 1.3).

De capaciteit retentie vs. het totale cyclus nummer wanneer Tc = Td is weergegeven in Figuur 1een. Een gat kan worden waargenomen na elke 25 cycli (voor 4 cycli) overeenkomt met de verwijzing fietsen testen. Een extra opmerking op basis van de grafiek is het heel ongewoon gedrag bij Tc = Td bij-20 ° C voorwaarden testen. Na elk blok van 25 cycli, er is een drastische verval van capaciteit en vervolgens een recuperatie tijdens het fietsen (gedaan bij 25 ° C). Voor de andere temperatuur combinaties in het diagram weergegeven, wordt verval in de capaciteit waargenomen. Dit is het meest uitgesproken voor de (30 ° C, 30 ° C) combinatie. Verwijst ook naar fietsen is van invloed op de trend van de afbraak van het langdurig testen. De CR druppels 0,5 - 1,0% na het testen van de cyclus van de verwijzing > 12 ° C is en marginaal verhoogt wanneer de fietsen is < 12 ° C.

Over het algemeen de CRop de lange termijn volgt de volgorde (gemiddelde waarde voor de dubbele proeven) van meer naar minder schadelijk ten opzichte van de eerste voorstelling van de cel: 86% (30 ° C, 30 ° C), 90% (-20 ° C-20 ° C), 96% (12 ° C, 12 ° C), 97% (5 ° C, 5 ° C) , 100% (-5 ° C, -5 ° C). Bij de beproeving van de cyclus van de verwijzing wordt geacht, de afbraak volgt de volgorde: 86% (30 ° C, 30 ° C), 94-95% (5 ° C, 5 ° C), (12 ° C, 12 ° C) en (-5 ° C,-5 ° C), en 96,5% (-20 ° C-20 ° C) (tabel 1).

Figuur 1 b toont veroudering op het gebied van het behoud van de capaciteit (%) vs. de temperatuur van het fietsen voor alle de monsters geëvalueerd wanneer Tc = Td. Zowel de verwijzing fietsen en de lange termijn veroudering worden weergegeven en gemonteerd op een tweede graad veeltermvergelijking volgens vergelijking (3). Het resultaat dat overeenkomt met de CRop de lange termijn voor (-20 ° C,-20 ° C) werd verwijderd uit de montage als gevolg van de waargenomen eigenaardige gedrag, die duidelijk niet de trend volgen.

Figuur 2 een toont de geen kwijting profielen tijdens het langdurig fietsen. In een lage C-tarief [0.3 C (verwijzing fietsen) in vergelijking met 1 C (op lange termijn fietsen)] en hogere temperatuur [25 ° C (verwijzing fietsen) in vergelijking tot-5 ° C (op lange termijn fietsen)], extra kenmerken worden weergegeven in de geen kwijting-curve (Figuur 2b ), met drie plateaus variërend van 3.15-3.30 V. Wanneer de fietsen evolueert, is er een beweging van de plateaus tot lagere capaciteiten en een kleine wijziging op de spanning van het potentieel van de plateaus.

Figuur 3 een toont de evolutie van de capaciteit met fietsen voor cellen No. 17 en 18, No. 19 en 20, waar Tc = 30 ° C en Td =-5 ° C en 30 ° C, respectievelijk. De gegevens voor de dubbele tests wordt gepresenteerd met de bedoeling om aan te tonen van de herhaalbaarheid. Soortgelijk gedrag werd waargenomen voor de duplicaten, dus in de volgende, slechts één testresultaat wordt getoond en de CR -waarden hebben betrekking op de gemiddelde waarde. Op lange termijn fietsen maakt de capaciteit van de cel te verminderen voor de twee temperatuur combinaties, met een hogere degradatie bij (30 ° C en 30 ° C) t.o.v. (30 ° C,-5 ° C), 86% t.o.v. 90% (tabel 1). De tegenovergestelde trend is gevonden bij het vergelijken van de verwijzing cycli [cellen No. 19 en 20 (30 ° C, 30 ° C bij 86% en cellen nr. 17) en 18 (30 ° C, -5 ° C) op 82%, tabel 1]. Aan het einde van de fietsen verscheen sommige hobbels op cellen No. 17 en 18. Een evaluatie van de post mortem van monsters verzameld uit cel No. 17 werd uitgevoerd om te begrijpen van de aard van die hobbels. De resultaten worden getoond en besproken in de resultaten. Het moet worden opgemerkt dat hobbels in de loop der tijd ontwikkeld en ook zichtbaar in verschillende andere cellen getest op verschillende combinaties van temperatuur waren (hier niet afgebeeld).

Figuur 3 b de resultaten overeenkomen met cellen nr.3 en No. 5, worden weergegeven met de dezelfde Tc =-5 ° C en een verschillende Td =-5 ° C en 30 ° C, respectievelijk. Na 100 cycli, de retentie capaciteit (100% en 91%, respectievelijk) is hoger bij (-5 ° C,-5 ° C) dan bij (-5 ° C en 30 ° C). Tests die worden uitgevoerd wanneer de dezelfde Tc en verschillende Td worden gebruikt, worden weergegeven in Figuur 3c [cellen No. 11 (12 ° C en -10 ° C) en nr. 13 (12 ° C, 12 ° C)]. Na 100 cycli toont de retentie capaciteit bijna geen aantasting voor de eerste cel en 96% voor de tweede.

Wanneer de dezelfde Td (30 ° C) en de verschillende Tc (-5 ° C en 30 ° C) worden gebruikt, toont de capaciteit het gedrag dat is weergegeven in Figuur 4een (cellen No. 5 en nr. 19). Na 100 cycli is de handhaving in capaciteit hoger voor de cellen fietste bij verschillende temperaturen (ongeveer 91%) dan in het geval van cellen fietste bij dezelfde temperatuur (ongeveer 86%) (Tabel 1).

Een lange termijn evaluatie op Td =-5 ° C en Tc = 30 ° C en -5 ° C, respectievelijk (de cellen No. 3 en nr. 17) wordt weergegeven in Figuur 4b. Op de dezelfde Td, Tc = 30 ° C is schadelijker dan Tc =-5 ° C, zoals eerder genoemd. De handhaving in capaciteit na 100 cycli is in de buurt van 100% voor fietsen onder-5 ° C,-5 ° C en 90% voor de Wielersport op (30 ° C,-5 ° C) (tabel 1).

Tot slot, de prestaties wanneer Td =-20 ° C is weergegeven in Figuur 4c (cellen nr.1, nr. 7 en nr. 15 met Tc =-20 ° C, 0 ° C en 15 ° C, respectievelijk). De gegevens tijdens het fietsen bij (-20 ° C en-20 ° C) was eerder uitgelegd. Een eerder vergelijkbaar resultaat vindt plaats in deze figuur, maar aan een lagere graad. Dit effect is ook gedetecteerd door anderen40. De handhaving in capaciteit is 90-102% ten opzichte CRlangdurige en ∼96% ten opzichte van CRref.

Een visueel onderzoek van de cel No. 17 (Tc = 30 ° C, Td =-5 ° C) bleek aanzienlijk grote hobbel delen (de witte pijlen in cijfers 5a en 5b). Bovendien werd een zone van golfde structuur bij de bodem van de zak en grafiet elektroden (de rode cirkel, cijfers 5a en 5b) waargenomen. Deze cel presenteerde het hoogste percentage van de afbraak en het laagste bewaren in capaciteit ten opzichte van CRref (tabel 1).

Monsters van de anode en kathode elektroden zijn geoogst in 3 afzonderlijke gebieden; de bult, de golfde en de centrale gebieden (de laatste met geen zichtbare onvolkomenheden). Nieuwe cellen (na vorming) waren ook geopend en onderzocht voor vergelijkingsdoeleinden.

Figuur 6 toont SEM beelden van de geoogste anode materialen. Uit de figuur is het duidelijk dat verschillende morfologische kenmerken te onderscheiden zijn.

Figure 1
Figuur 1 . Capaciteit inhoudingen. (een) dit paneel toont de retentie capaciteit na 100 cycli tegelijkertijd opladen en ontladen van temperaturen. (b) dit paneel toont de retentie capaciteit (ten opzichte van lange termijn veroudering en verwijzing fietsen) vs. temperatuur. Cel proeven: nr. 1 (-20 ° C en -20 ° C), No. 3 (-5 ° C, -5 ° C), No. 9 (5 ° C, 5 ° C), nr. 13 (12 ° C, 12 ° C) en No. 19 (30 ° C, 30 ° C). Dit cijfer is gewijzigd van Ruiz et al. 39. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2. Kwijting profielen voor cellen: No. 17 (30 ° C, -5 ° C). (een) dit paneel toont het langdurig fietsen met (een C-tarief voor 1 C) en een temperatuur van-5 ° C. (b) dit paneel toont de verwijzing fietsen met (een C-snelheid van 0,3 C) en een temperatuur van 25 ° C. Dit cijfer is gewijzigd van Ruiz et al. 39. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3. Aanhouden van de capaciteit voor cellen met hetzelfde TC en anders Td. Deze panelen tonen de capaciteit inhoudingen en het effect van wisselende temperaturen van de geen kwijting van cellen (een) No. 17 en 18 (30 ° C, -5 ° C) en No. 19 en 20 (30 ° C, 30 ° C), (b) No. 3 (-5 ° C, -5 ° C) en No. 5 (-5 ° C en 30 ° C) , en (c) No. 11 (12 ° C en -10 ° C) en nr. 13 (12 ° C, 12 ° C). Dit cijfer is gewijzigd van Ruiz et al. 39. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4. Aanhouden van de capaciteit voor cellen met verschillende TC en dezelfde TD . Deze panelen tonen de capaciteit inhoudingen en het effect van wisselende temperaturen van de lading van cellen (een) No. 5 (-5 ° C, 30 ° C) en No. 19 (30 ° C, 30 ° C), (b) No. 3 (-5 ° C, -5 ° C) en No. 17 (30 ° C, -5 ° C) en (c) No. 1 (-20 ° C -20 ° C), nr. 7 (0 ° C, -20 ° C) en nr. 15 (15 ° C, -20 ° C). Dit cijfer is gewijzigd van Ruiz et al. 39. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5. Post-mortem evaluaties voor cel No. 17. Deze panelen tonen (een) een zakje cel na 100 cycli, en (b) een anode-elektrode na opening/oogsten. De witte pijlen geven hobbels testen en de rode cirkel geeft een rimpel-gebied. Beide functies zijn gegenereerd tijdens de elektrochemische test. De buitenafmetingen van de pouch cel zijn 250 x 164 mm. Dit cijfer is gewijzigd van Ruiz et al. 39. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6. SEM imaging. Deze panelen Toon SEM imaging in lage en hoge vergrotingen voor (een) een verse anode (cel No. 17) op de (b) bult en (c) centrale zone, en voor de zone van de (d) de geoogste anode (cel No. 17) op de bult (e) en (f ) centrale zone. De volgende panelen secundaire elektronen SEM imaging voor (g) een frisse Toon en voor de geoogste anode van cel No. 17 bij de (h) bult en (ik) centrale zone (invoegen: een toewijzing met EDX geeft aan met Cu-rijke nanodeeltjes). Dit cijfer is gewijzigd van Ruiz et al. 39. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 7
Figuur 7 . Oppervlak gemonteerd [eq. (4)] en experimenteel berekende tarieven voor afbraak (dots) in de ruimte temperatuur lading/lozing van de referentie-cycli (R2 = 0.92). n = aantal cycli. Rood geeft aan een lager tarief van afbraak en blauw een hoger tarief van afbraak. Dit cijfer is gewijzigd van Ruiz et al. 39. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Cel test No TC /° C TD-/° C ΔT /° C C1 /Ah CRop lange termijn (%) CIk /Ah R@1000Hz/ Ohm CRref (%) DR (Ah n-1) / Ah
1 -20 -20 0 3,00 89.86 5,60 0.90 96.45 -0.00208
2 -20 -20 0 3,00 90.21 5.61 0.93 96.46 -0.00208
3 -5 -5 0 4.52 98.10 5.62 0.93 94.44 -0.00349
4 -5 -5 0 4,51 102.00 5,72 1,00 96.40 -0.00235
5 -5 30 35 5.26 91.66 5,74 0.91 88.95* -0.00627
6 -5 30 35 5.29 90.82 5,72 0.82 89.14* -0.00642
7 0 -20 20 3.03 101.54 5.62 0,85 96.42 -0.00219
8 0 -20 20 3.04 99,00 5,65 0.93 96.22 -0.00223
9 5 5 0 5.33 97.27 5,67 0.93 94.08 -0.00239
10 5 5 0 5,35 97.00 5.64 0.84 94.31 -0.00233
11 12 -10 22 4.02 100.36 5,49 0.92 91.83 -0.00335
12 12 -10 22 4.03 99.30 5.51 0.90 90.41 -0.00379
13 12 12 0 5.53 95.47 5,65 0.90 94.51 -0.00331
14 12 12 0 5.51 96.09 5.64 0.88 94.90 -0.00299
15 15 -20 35 3.03 102.21 5,77 0.94 95.68* -0.00379
16 15 -20 35 3.01 102.11 5,72 0.95 95.60* -0.00406
17 30 -5 35 4.61 90.80 5,55 0.92 81.85 -0.00994
18 30 -5 35 4,62 90,00 5,60 0.95 81.20 -0.01027
19 30 30 0 5.50 85.50 5.61 0.92 85.42 -0.00794
20 30 30 0 5.48 86,00 5.57 0.90 86.09 -0.00766
* na 95 cycli, grijze zone testprotocollen aangeeft waar Tc = Td

Tabel 1. Rated en de berekende parameters voor de cellen getest op verschillende temperatuur combinaties. [Tc/° C: temperatuur kosteloos, Td/° C: temperatuur van kwijting, ΔT/° C: | Td - Tc |, C1/Ah: eerste cyclus capaciteit van de lange termijn veroudering, CRop de lange termijn (%): capaciteit bewaren ten opzichte van de eerste cyclus, Cik/Ah: initiële capaciteit berekend door de verwijst naar cyclus, CRref (%): capaciteit bewaren ten opzichte van de eerste cyclus van de verwijzing, DR (Ah n-1) / Ah: afbraak tarief berekend op basis van de referentie-cyclus na 100 cycli (lineaire trend uitgegaan), n = aantal cycli.]

Supplementary Files
Aanvullende bestanden. Screenshots van het softwaregebruik. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

Het gedrag voor fietsen bij (-20 ° C en-20 ° C) (Figuur 1een) kan worden toegeschreven aan (i) kinetische beperkingen tijdens het opladen (een verminderde ion diffusie, een achtergestelde gratis overdracht weerstand op het raakvlak van elektrode/elektrolyt41, een verminderd ion geleidbaarheid, een onbalans van de lading, enz.) en/of (ii) lithium plating wanneer opladen bij lage temperaturen snel wanneer verspreiden kan fietsen op hoge temperaturen42. Wanneer de temperatuur terug tot 25 ° C, de ion-verspreiding is toegenomen en er is een evenwichtsinstelling van de onevenwichtige staat. Dit zou leiden tot een herstel van de capaciteit. Een soortgelijk probleem werd niet gevonden in de literatuur. Voor het soort cellen onderzochte, wordt de combinatie van deze temperatuur niet aanbevolen voor een continu fietsen als gevolg van de snelle capaciteit verval, hoewel er sommige gedeeltelijk herstel van capaciteit na een bepaalde hersteltijd bij kamertemperatuur.

Aan de andere kant, cellen fietste bij (12 ° C en 30 ° C) ongewenst werden getroffen door de onderbreking van de cyclus van de evaluatie van de verwijzing (dit ongetwijfeld verlengt de algehele beproeving tijd) (Figuur 1een). Deze monsters leed aan degradatie sinds het begin van de fietsen en ze meer vatbaar voor aantasting van de extra kon worden wanneer ze te vergelijken met de monsters bij < 12 ° C. fietste

De lange termijn veroudering met Tc = Td toonde een dicht bij de tweede orde polynoom relatie tussen de retentie in de capaciteit en de testen temperatuur (voor het bereik van-5 ° C tot 30 ° C, Figuur 1,b). Omar et al. 12 toonde een soortgelijk gedrag (in het temperatuurbereik van-18 ° C tot 40 ° C). De waarde bij (-20 ° C en-20 ° C) werd niet in aanmerking genomen als haar drastisch af van de algemene trend wijkt. Uit de metingen van de capaciteit voor CRrefblijkt dat het fietsen in het bereik-20 ° C tot 15 ° C weinig aantasting (Figuur 1b toebrengt). Het verschillend gedrag aangetoond door CRref en CRlangdurig kan worden verklaard als ze worden berekend op de tests die worden uitgevoerd op verschillende temperaturen en verschillende C-tarieven. Dus, ze zijn gevoelig voor verschillende processen: onomkeerbaar veroudering (de gevolgen van de degradatie zijn eeuwige)12,43 en omkeerbare veroudering [het gevolg van veroudering kan worden gerestaureerd (bijvoorbeelduitgebreid rest keer)]. Het kan worden beschouwd als dat aan de ene kant, CRref gevoelig voor onomkeerbare degradatie en, anderzijds is, CRop de lange termijn is gevoelig voor zowel omkeerbaar en onomkeerbare aantasting.

Geen kwijting profielen tijdens het langdurig testen blijven vergelijkbare (Figuur 2een); het belangrijkste verschil is > 3 Ah (een daling in de geen kwijting capaciteit)8. Voor de verwijzing fietsen (Figuur 2b), drie plateaus kunnen worden waargenomen in het bereik 3.15-3.30 V, overeenkomt met het spanningsverschil tussen de kathode (3.43 V overeenkomend met de redox koppel Fe3 +zag2 +)44 en de fasen bekomt van de anode45,46. Tijdens het fietsen, is er een verplaatsing tot lagere capaciteitswaarden, als gevolg van de consumptie van cyclable lithium of een materiële achteruitgang als gevolg van veroudering47.

Tijdens het fietsen op een bepaalde Tc, bleek het dat de stabiliteit op lange termijn hoger bij een lagere Td is. Dit is in overeenstemming met de algemene trend die hogere temperaturen tot een hogere degradatie leiden. Dit werd vastgesteld voor de drie paren van combinaties geëvalueerd en weergegeven in figuren 3a - 3 c. Dus, Wielersport op Td = 30 ° C leidt tot een hogere aantasting dan Td =-5 ° C, Tc wordt hetzelfde. Evenzo, Td = 12 ° C is veeleisender dan Td =-10 ° C bij Tc is het dezelfde (12 ° C).

In sommige gevallen de afbraak trend gevonden voor de referentie fietsen is tegengesteld aan die voor de lange termijn fietsen getoond. Dit is het geval voor (30 ° C,-5 ° C) vs. (30 ° C, 30 ° C) en (-10 ° C, 12 ° C) vs. (12 ° C, 12 ° C) fietsen. De referentie-balans toont alleen de onomkeerbare degradatie, overwegende dat de langdurige veroudering wordt beïnvloed door zowel onomkeerbaar en omkeerbare effecten. Naast, 1 C fietsen leidt tot hogere ohms druppels (hoger bij lagere temperaturen). Als het gedrag van cellen onder 30 ° C,-5 ° C getest is in vergelijking met cellen getest bij (-5 ° C en 30 ° C), kan worden geconcludeerd dat in beide gevallen er een vergelijkbare afbraak is [CRop de lange termijn rond 90% (tabel 1)]. De CR-ref toont echter aan dat een lagere degradatie bij (-5 ° C en 30 ° C). Onder deze voorwaarden (d.w.z., een bepaalde Td) betekent een hogere Tc de aantasting van het meer, zoals blijkt uit de figuren 4a en 4b. TC = 30 ° C fietsen degradeert de cellen meer in vergelijking met Tc =-5 ° C (bij Td hetzelfde is). Dit is in overeenstemming met de interpretatie van de gegevens voor andere fietsen voorwaarden eerder besproken.

Als een samenvatting, kan worden geconcludeerd dat fietsen bij (-5 ° C,-5 ° C), (0 ° C,-20 ° C), (5 ° C, 5 ° C), (12 ° C, -10 ° C) en (-20 ° C, 15 ° C) meer dan 100 cycli geleid tot bijna geen afbraak. De monsters getest bij Td -20 ° C bleek = stable (herstel in capaciteit bij 25 ° C, Figuur 4c), het maken van deze monsters geschikt voor sub kamer temperatuurtoepassingen. Dit herstel capaciteit is minder indrukwekkend als Tcverhogen. Het gedrag blijkt uit deze serie proefstukken geeft aan dat er een groot onderdeel van omkeerbare afbraak bij lage temperaturen (kinetische component).

De eerste voorwaarde van het oppervlak van het materiaal van de anode (graphite) is meestal glad (cijfers 6a en 6 d). Na het fietsen, roughens het oppervlak, ook waargenomen door anderen48. De verandering in de morfologie is duidelijker in de bumped zone (cijfers6b en 6 sexies) in vergelijking met het centrale deel van de elektrode (figuren 6 c en 6f). Wanneer de vergroting toeneemt, zijn halfronde deeltjes zichtbaar in de bumped zone (Figuur 6e). Deze structuren hebben een gemiddelde diameter van 35 tot 175 nm en zijn ook waargenomen door anderen49,50,51. In deze studies, zijn ze toegewezen aan de beplating van granulaire metallisch Li deeltjes49,50 waarop de SEI laag50 groeit. Een mogelijke verklaring voor deze platting kan worden toegewezen aan: (i) een zekere mate van prijsverhoging zoals beschreven door Lu et al. 49 (10% overlithiation) of (ii) inhomogene compressie op de electrodes zoals bestudeerd door Bach et al. 52.

Het secundaire elektron SEM toont helder deeltjes verdeeld in een cycled anode (figuur 6i). Deze deeltjes zijn minder zichtbaar in de golfde zone (aanvullende gegevens, figuurS1) en zijn niet zichtbaar in de bult zone (figuur 6 h). EDX onderzoeken deze deeltjes geïdentificeerd als metalen Cu (Zie invoegen in Figuur 6ik en aanvullende gegevens in Figuur S2). Het is mogelijk dat Cu (huidige collector) lost op en slaat neer op de elektrode (bijvoorbeeldhuidige verzamelaar corrosie optreedt als gevolg van de reactiviteit met de elektrolyt en wanneer de anode potentiële ook positieve vs. Li/Li+is) 28. in de bumped zone, sporen van Cu met een concentratie boven de achtergrond signaal zijn ook abserved. Er kan worden gespeculeerd dat de voorwaarden in die zone voor sommige reden, de neerslag van Cu niet doen gunst. Tot slot zijn ook sporen van Fe gemeten. Dit kan worden toegeschreven aan de ontbinding van ijzer van kathode materiaal (LiFePO4), zoals aangegeven door anderen48,53,,54. LiPF6 gebaseerd elektrolyten (HF sporen)55, een evaluatie van de cycled kathode toonde geen wijzigingen ten opzichte van de vers materiaal (aanvullend materiaal, Figuur S3). Verdere zijn experimenten gaande om verder deze kathodematerialen karakteriseren.

De tarieven van de afbraak (DRs) van tabel 1 berekend op basis van CRref werden uitgezet vs. testing temperaturen (laden en ontladen), vervolgens door de minst-vierkant-methode (2D) gemonteerd. Afbeelding 7 toont de oppervlak-montage gegenereerd, waar de punten zijn de gemeten DRs. De dataset was onderverdeeld in leren en verificatie datasets voor de montage. Een polynomiale functie was geselecteerde (Beste R2). De voorwaarden van de rode vertegenwoordigt met lagere DRs en de blauwe vertegenwoordigt voorwaarden met hogere DRs. De resulterende model vergelijking is:

(4)Equation 4Equation 5

De statistische significantie van de polynoom coëfficiënten, bevestigd door ANOVA, leidt tot een kwadratische relatie van DR met Tc en een lineaire relatie met Td.

Andere opmerkingen dat kunnen nuttig zijn als geschikte toepassingen moeten worden geselecteerd: wanneer de Tc is rond15 ° C, DR is niet afhankelijk van Td; Wanneer de Tc < 15 ° C, een hogere afbraak gebeurt op een hogere Td; Wanneer de Tc > 15 ° C, een lagere degradatie optreedt bij een hogere Td; de laagste DR correspondeert (Tc -7 ° C, Td = =-20 ° C); correspondeert met de hoogste DR (Tc = 30 ° C, Td =-20 ° C) of (Tc =-20 ° C, Td = 30 ° C).

De resultaten gepresenteerd in dit werk kunnen van belang zijn voor het ontwerp van toekomstige normen en voorschriften ter vertegenwoordiging van meer realistische scenario's zijn. Verdere experimenten met behulp van andere oplossingen nodig zijn om te controleren van de geldigheid van deze conclusies om te vinden van een optimale meetbereik afhankelijk van de toepassing. Extra werk zal het evalueren van de effecten van veroudering van de kalender.

Disclosures

De auteurs Matteo Destro en Daniela Fontana zijn werknemers van Lithops S.r.l die de batterijcellen die worden gebruikt in dit artikel produceert. De andere auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs bedanken Marc Steen en Lois Brett voor hun uitstekende steun herziening van dit manuscript.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
artificial graphite  IMERYS D50 about 6 µm. Catalog number cannot be disclosed for propietary reasons
lithium iron phosphate BASF D50 about 11 µm. Catalog number cannot be disclosed for propietary reasons
Cu foil    Schlenk 16 µm thickness. Catalog number cannot be disclosed for propietary reasons 
Al foil Showa Denko 20 µm thickness. Catalog number cannot be disclosed for propietary reasons 
separator  Celgard separator. Catalog number cannot be disclosed for propietary reasons
Maccor cycler Maccor Maccor Series 4000  Battery cycler
BIA chamber BIA BIA MTH 4.46  environmental temperature chambers
SEM Carl Zeiss, Germany ZEISS SUPRA 50 Scanning Electron Microscope
EDAX Oxford Instruments, UK  Oxford X-MaxN 80  Energy Dispersive X-ray spectrometer
SDD Oxford Instruments, UK AZtec software Drift detector 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Conte, M., et al. Ageing testing procedures on lithium batteries in an international collaboration context. 25th World Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium & Exhibition. , November 5 - 8, 2010 (2010).
  2. Barré, A., et al. A review on lithium-ion battery ageing mechanisms and estimations for automotive applications. Journal of Power Sources. 241, 680-689 (2013).
  3. Danzer, M., Liebau, V., Maglia, F. Aging of Lithium-ion Batteries for Electric Vehicles. , Woodhead Publishing. Amsterdam, The Netherlands. (2015).
  4. International Energy Agency (IEA). Technology Roadmap. Electric and Plug-in Hybrid Electric Vehicles. , Economic Co-operation and Development Publishing. Paris, France. (2011).
  5. Battery R&D Roadmap 2030. Battery Technology for Vehicle Applications. Eurobat E-Mobility. , Available from: http://www.eurobat.org/sites/default/files/eurobat_emobility_roadmap_lores_2.pdf (2015).
  6. SET Plan Secretariat. European Commission. Issues Paper No. 7 "Become competitive in the global battery sector to drive e-mobility forward". , Available from: http://setis.ec.europa.eu/system/files/integrated_set-plan/action7_issues_paper.pdf (2016).
  7. Shi, W., et al. Analysis of thermal aging paths for large-format LiFePO4/graphite battery. Electrochimica Acta. 196, 13-23 (2016).
  8. Wang, J., et al. Cycle-life model for graphite-LiFePO4 cells. Journal of Power Sources. 196 (8), 3942-3948 (2011).
  9. Steffke, K., Inguva, S., Van Cleve, D., Knockeart, J. SAE J1548: accelerated life test methodology for Li-ion batteries in automotive applications. SAE 2013 World Congress & Exhibition. , Detroit, MI (April 16 - 18, 2013) (2013).
  10. Ecker, M., et al. Development of a lifetime prediction model for lithium-ion batteries based on extended accelerated aging test data. Journal of Power Sources. 215, 248-257 (2012).
  11. Ramadass, P., Haran, B., White, R., Popov, B. N. Capacity fade of Sony 18650 cells cycled at elevated temperatures: Part I. Cycling performance. Journal of Power Sources. 112 (2), 606-613 (2002).
  12. Omar, N., et al. Lithium iron phosphate based battery - Assessment of the aging parameters and development of cycle life model. Applied Energy. 113, 1575-1585 (2014).
  13. International Electrotechnical Commission. Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles - Part 1: performance testing. , Geneva, Switzerland. IEC 62660-1 (2011).
  14. International Organization for Standardization. Electrically propelled road vehicles - Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems - Part 1: high-power applications. , Geneva, Switzerland. ISO 12405-1 (2011).
  15. International Organization for Standardization. Electrically propelled road vehicles - Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems - Part 2: high-energy applications. , Geneva, Switzerland. ISO 12405-2 (2012).
  16. The Engineering Society for Advancing Mobility Land Sea Air and Space International. Life Cycle Testing of Electric Vehicle Battery Modules. , Warrendale, PA. SAE J2288 (2008).
  17. The Engineering Society for Advancing Mobility Land Sea Air and Space International. Recommended Practice for Performance Rating of Electric Vehicle Battery Modules. , Warrendale, PA. SAE J1798 (2008).
  18. Idaho National Laboratory. Battery Calendar Life Estimator Manual: Modeling and Simulation. , Idaho Falls, ID. INL-EXT-08-15136. Rev 1 (2012).
  19. Idaho National Laboratory. Battery Technology Life Verification Test Manual Revision 1. , Idaho Falls, ID. INL-EXT-12-27920 (2012).
  20. United States Advanced Battery Consortium LLC. USABC Electric Vehicle Battery Test Procedures Manual Revision 2. , Southfield, MI. (1996).
  21. Jalkanen, K., et al. Cycle aging of commercial NMC/graphite pouch cells at different temperatures. Applied Energy. 154, 160-172 (2015).
  22. Ruiz, V., et al. A review of international abuse testing standards and regulations for lithium ion batteries in electric and hybrid electric vehicles. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 81, Part I 1427-1452 (2017).
  23. Inaba, M., Tomiyasu, H., Tasaka, A., Jeong, S. -K., Ogumi, Z. Atomic force microscopy study on the stability of a surface film formed on a graphite negative electrode at elevated temperatures. Langmuir. 20 (4), 1348-1355 (2004).
  24. Richard, M. N., Dahn, J. R. Accelerating rate calorimetry study on the thermal stability of lithium intercalated graphite in electrolyte. I. Experimental. Journal of the Electrochemical Society. 146 (6), 2068-2077 (1999).
  25. Broussely, M., et al. Main aging mechanisms in Li ion batteries. Journal of Power Sources. 146 (1-2), 90-96 (2005).
  26. Burns, J. C., Stevens, D. A., Dahn, J. R. In-situ detection of lithium plating using high precision coulometry. Journal of the Electrochemical Society. 162 (6), 959-964 (2015).
  27. Fleischhammer, M., Waldmann, T., Bisle, G., Hogg, B. -I., Wohlfahrt-Mehrens, M. Interaction of cyclic ageing at high-rate and low temperatures and safety in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 274, 432-439 (2015).
  28. Vetter, J., et al. Ageing mechanisms in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 147 (1), 269-281 (2005).
  29. Arora, P., White, R. E., Doyle, M. Capacity fade mechanisms and side reactions in lithium-ion batteries. Journal of the Electrochemical Society. 145 (10), 3647-3667 (1998).
  30. Spotnitz, R., Franklin, J. Abuse behavior of high-power, lithium-ion cells. Journal of Power Sources. 113 (1), 81-100 (2003).
  31. Broussely, M., et al. Aging mechanism in Li ion cells and calendar life predictions. Journal of Power Sources. 97-98, 13-21 (2001).
  32. Niikuni, T., Koshika, K., Kawai, T. Evaluation of the influence of JC08-based cycle stress on batteries in plug-in hybrid electric vehicle. EVS25 (World Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium). , Shenzhen, China, November 5 - 9, 2010 (2010).
  33. Betzin, C., Wolfschmidt, H., Luther, M. Long time behavior of LiNi0.80Co0.15Al0.05O2 based lithium-ion cells by small depth of discharge at specific state of charge for primary control reserve in a virtual energy storage plant. Energy Procedia. 99, 235-242 (2016).
  34. Schmalstieg, J., Käbitz, S., Ecker, M., Sauer, D. U. A holistic aging model for Li(NiMnCo)O2 based 18650 lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 257, 325-334 (2014).
  35. Belt, J., Utgikar, V., Bloom, I. Calendar and PHEV cycle life aging of high-energy, lithium-ion cells containing blended spinel and layered-oxide cathodes. Journal of Power Sources. 196 (23), 10213-10221 (2011).
  36. Atkinson, A., Donev, A., Tobias, R. Optimum Experimental Designs, with SAS. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2007).
  37. Forman, J. C., Moura, S. J., Stein, J. L., Fathy, H. K. Optimal experimental design for modeling battery degradation. ASME 2012 5th Annual Dynamic Systems and Control Conference Joint with the JSME 2012 11th Motion and Vibration Conference. 1, DSCC 2012-MOVIC 2012 309-318 (2012).
  38. Muenzel, V., De Hoog, J., Brazil, M., Vishwanath, A., Kalyanaraman, S. A multi-factor battery cycle life prediction methodology for optimal battery management. e-Energy 2015 - Proceedings of the 2015 ACM 6th International Conference on Future Energy Systems. , 57-66 (2015).
  39. Ruiz, V., et al. Degradation studies on lithium iron phosphate - graphite cells. The effect of dissimilar charging - discharging temperatures. Electrochimica Acta. 240, This is an open access article under the CC BY license (http://creativeccommons.org/Licenses/by/4.0 495-505 (2017).
  40. Eddahech, A., Briat, O., Vinassa, J. M. Lithium-ion battery performance improvement based on capacity recovery exploitation. Electrochimica Acta. 114, 750-757 (2013).
  41. Zhang, S., Xu, K., Jow, T. Low-temperature performance of Li-ion cells with a LiBF4-based electrolyte. Journal of Solid State Electrochemistry. 7 (3), 147-151 (2003).
  42. Fan, J., Tan, S. Studies on charging lithium-ion cells at low temperatures. Journal of the Electrochemical Society. 153 (6), 1081-1092 (2006).
  43. Franco, A. A., Doublet, M. L., Bessler, W. G. Physical Multiscale Modeling and Numerical Simulation of Electrochemical Devices for Energy Conversion and Storage. , Springer-Verlag. London, UK. (2016).
  44. Padhi, A. K., Nanjundaswamy, K. S., Goodenough, J. B. Phospho-olivines as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries. Journal of the Electrochemical Society. 144 (4), 1188-1194 (1997).
  45. Dubarry, M., Liaw, B. Y. Identify capacity fading mechanism in a commercial LiFePO4 cell. Journal of Power Sources. 194 (1), 541-549 (2009).
  46. Kassem, M., et al. Calendar aging of a graphite/LiFePO4 cell. Journal of Power Sources. 208, 296-305 (2012).
  47. Physical Multiscale Modeling and Numerical Simulation of Electrochemical Devices for Energy Conversion and Storage. Franco, A. A., Doublet, M. L., Bessler, W. G. , Springer. London, UK. (2016).
  48. Zheng, Y., et al. Deterioration of lithium iron phosphate/graphite power batteries under high-rate discharge cycling. Electrochimica Acta. 176, 270-279 (2015).
  49. Lu, W., et al. Overcharge effect on morphology and structure of carbon electrodes for lithium-ion batteries. Journal of the Electrochemical Society. 159 (5), 566-570 (2012).
  50. Stark, J. K., Ding, Y., Kohl, P. A. Nucleation of electrodeposited lithium metal: dendritic growth and the effect of co-deposited sodium. Journal of the Electrochemical Society. 160 (9), 337-342 (2013).
  51. Honbo, H., Takei, K., Ishii, Y., Nishida, T. Electrochemical properties and Li deposition morphologies of surface modified graphite after grinding. Journal of Power Sources. 189 (1), 337-343 (2009).
  52. Bach, T. C., et al. Nonlinear aging of cylindrical lithium-ion cells linked to heterogeneous compression. Journal of Energy Storage. 5, 212-223 (2016).
  53. Klett, M., et al. Non-uniform aging of cycled commercial LiFePO4//graphite cylindrical cells revealed by post-mortem analysis. Journal of Power Sources. 257, 126-137 (2014).
  54. Amine, K., Liu, J., Belharouak, I. High-temperature storage and cycling of C-LiFePO4/graphite Li-ion cells. Electrochemistry Communications. 7 (7), 669-673 (2005).
  55. Koltypin, M., Aurbach, D., Nazar, L., Ellis, B. More on the performance of LiFePO4 electrodes-The effect of synthesis route, solution composition, aging, and temperature. Journal of Power Sources. 174 (2), 1241-1250 (2007).

Tags

Chemie kwestie 137 Lithium-ion batterijcellen afbraak elektrochemische evaluatie omgevingsfactoren ontwerp van experiment veroudering
Het Effect van laden en ontladen van Lithium ijzer fosfaat-graphite cellen bij verschillende temperaturen op degradatie
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ruiz Ruiz, V., Kriston, A., Adanouj, … More

Ruiz Ruiz, V., Kriston, A., Adanouj, I., Destro, M., Fontana, D., Pfrang, A. The Effect of Charging and Discharging Lithium Iron Phosphate-graphite Cells at Different Temperatures on Degradation. J. Vis. Exp. (137), e57501, doi:10.3791/57501 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter