Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Effekten av laddning och urladdning litium järn fosfat-grafit celler vid olika temperaturer på nedbrytning

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

Denna artikel beskriver effekten av olika fyllning/avtappning temperaturer på nedbrytningen av litium järn fosfat-grafit påsen celler, syftar till att simulera nära verkliga scenarier. Totalt undersöks 10 kombinationer av temperatur i intervallet -20 till 30 ° C för att analysera effekterna av temperaturen på nedbrytning.

Abstract

Effekten av laddning och urladdning litium järn fosfat-grafit celler vid olika temperaturer på deras nedbrytning utvärderas systematiskt. Nedbrytningen av celler bedöms med hjälp av 10 laddning och urladdning temperatur permutationer sträcker sig från-20 ° C till 30 ° C. Detta tillåter en analys av effekten av laddning och urladdning temperaturer på åldrande och deras sammanslutningar. Sammanlagt 100 laddning/urladdning cykler genomfördes. Varje 25 cykler en referenscykel utfördes för att bedöma den reversibla och irreversibla kapacitet nedbrytningen. En flera faktor variansanalys användes, och experimentella resultat utrustades visar: i) en kvadratisk sambandet mellan Nedbrytningshastighet och temperaturen omkastningen, ii) ett linjärt förhållande med temperaturen av ansvarsfrihet, och iii) en korrelation mellan temperaturen i laddning och urladdning. Det konstaterades att kombinationen temperatur för laddning vid + 30 ° C och urladdning vid-5 ° C lett till den högsta graden av nedbrytning. Däremot, ledde cyklingen i ett temperaturområde från-20 ° C till 15 ° C (med olika kombinationer av temperaturer av laddning och urladdning), till en mycket lägre nedbrytning. Dessutom, när temperaturen i avgift är 15 ° C, konstaterades det att nedbrytningshastigheten är nondependent på temperaturen av ansvarsfrihet.

Introduction

Hållbarhet har blivit en av de pivotala ämnena av intresse för litium-jon batterier (LIB)1,2,3 forskning, inte försumma säkerhet beteende, prestanda och kostnad. Batteriet nedbrytning är särskilt utmanande för e-mobilitet-program liksom en relativt lång livslängd krävs4,5,6 jämfört med andra program (t.ex., det några år för konsumenten elektronik). LIBs (t.ex., vad gäller kapacitet och motstånd) inledande prestanda försämras med tiden på grund av elektrokemiska och kalender åldrande. Många faktorer (t.ex., elektrod material, miljöförhållanden, aktuella laster och cut-off spänningar) kan vara avgörande i nedbrytning. Litteraturen identifierar temperatur som en av de viktigaste faktorerna som påverkar nedbrytningen av aktivt elektrodmaterial och elektrod-elektrolyt sida reaktioner7. Trots den stora mängden publikationer i den litteratur som behandlingen batteritid vid olika temperaturer1,8,9,10,11, 12, dessa studier endast representera specifika celler, metoder och inställningar som används. Därför är extrapolering till andra celler inte trivialt, att göra en kvantitativ jämförelse mellan olika studier mycket svårt.

Det kan förväntas att cyklingen på olika laddning och urladdning kan ha visst inflytande på beteendet nedbrytning av batteriet eftersom många av de processer som orsakar nedbrytning är temperaturberoende. Dessutom i ett antal applikationer, olika laddning och urladdning temperaturer representerar en mer övertygande scenario [e.g., batteriet i en e-cykel debiteras i en temperatur-kontrollerad miljö (inomhus) och e-bike cyklade (dvs. , urladdat) vid olika temperaturer (utomhus); säsongsbetonade och dagliga temperaturvariationer upplevs i många applikationer]. Dock studera åldrande testresultat publiceras i litteraturen oftast samma temperatur för laddning och urladdning steg. Relevanta standarder13,14,15,16,17 och test metod manualer18,19,20 använder även samma temperatur. Vi hittade i litteraturen en exempel av cykling vid olika temperaturer (t.ex., 45 ° C, 65 ° C)21 för laddning och urladdning. Författarna till detta arbete beskrivs en högre fade i kapacitet vid högre temperatur, ansvarsfrihet, som tillskrivades till fasta elektrolyten gränssnitt (SEI) lager tillväxt och litium plätering21. Utvärdering av batteri nedbrytning under villkor företrädare för realistiska scenarier är önskvärt. Framtida standarder och föreskrifter skulle dra nytta av de resultat som presenteras i detta arbete om testning av laddning och urladdning vid olika temperaturer22.

Som regel högre testning temperaturer påskynda nedbrytningen1,11,12, öka tillväxten av SEI11,23,24och främja variationer i SEI 11,23. Däremot, låg temperatur cykling resulterar i osannolikt utmaningar: plätering och dendrite tillväxt underlättas (långsam litium-ion diffusion)25,26,27,28. Litiummetall kan reagera med elektrolyten leder till en minskad hållbarhet och minskad säkerhet grad28,29.

Wang et al. 8 publicerade att tona i kapacitet följde en maktrelation lag med kostnad genomströmning (temperaturer mellan 15 ° C och 60 ° C). Andra författare har beskrivit en kvadratrot tid relation med blekna i kapacitet10,30,31,32,33,34. Detta är tänkt för att representera irreversibel kapacitet förlusten tillskrivs tillväxten av SEI30,31 där aktiva litium konsumeras. Kapacitet nedbrytning kan också ha en andel av linjära nedbrytning med tid33,34,35. Slutligen några simuleringar av toningen i kapacitet vid olika temperaturer har validerats med experimentella resultat och data visade en exponentiell beroende av nedbrytning och temperatur8,10.

I detta arbete, effekten av olika temperaturer kostnadsfritt och ansvarsfrihet på nedbrytning uppförandet av litium järn fosfat (LFP) / grafit celler avsedda för sub omgivningstemperaturer beskrivs. Antalet möjliga temperatur kombinationer var minimeras med hjälp av en design av experiment (DOE) metoden36; en strategi som används vanligen i industriell optimering processer. Denna metod var också tillämpas av Forman et al. 37 att studera batteri nedbrytning, som ger lägsta prognos fel (D-optimal). Alternativt, Muenzel et al. 38 utvecklat en Multi-Factor liv förutsägbarhetsmodell återanvändning av data från Omar o.a. 12. data var utrustade och en nedbrytning matris erhölls.

I det nuvarande arbetet försågs de uppgifter som erhållits genom en icke-linjär minst fyrkantig montering (polynomial) vilket inkluderar första ordningens samspel mellan temperaturer av laddning och urladdning. En variansanalys (ANOVA) användes för att utvärdera koefficienterna och graden av polynom. Metoden hjälper till att förstå effekten av temperaturer av laddning och urladdning och deras möjliga interaktioner. Denna information kan vara relevant att stödja inrättandet av framtida passform för ändamål och realistiska protokoll och standarder.

Protocol

Obs: Protokollet följt i detta arbete förklaras i detalj i Ruiz et al. 39. en sammanfattning av de viktigaste stegen beskrivs nedan.

1. påse Cell förberedelse och bildandet

  1. Fabricera påse celler i formatet B5, som har dimensionen 250 mm x 164 mm med en ca 4 mm tjocklek, med konstgjord grafit som anodmaterial, litium järn fosfat (LFP) som katod material och 25 µm tjock polypropylen avgränsare.
  2. Använd 80 g av elektrolyt: 1 M LiPF6 i eten karbonat: dietyleter karbonat (2:3 w/w) som innehåller 1% vinylene karbonat.
    Obs: Påse cell tillverkning utfördes i en halvautomatisk industriella pilot linje som består av följande steg: jag) en slurry beredning som innehåller följande aktiva material: grafit för anod och LFP för katoden, en pärm, och ledande tillsatser i en lab-skala mixer, ii) en slurry beläggning på de nuvarande samlarna (aluminiumfolie och koppar folie, för katod och anod elektroder, respektive), iii) en kalandrar för en optimerad elektrod prestanda i, t.ex., elektrod densitet, porositet, tjocklek, elektronisk ledningsförmåga och impedans, följt av iv) den församling, elektrolyt fyllning och förslutning.
  3. Genomföra bildandet av cellen. Skapa en cykling protokoll med programvaran batteri apparat med följande steg.
    1. Använd funktionen bygga Test av batteri apparat programvaran. Klicka på ikonen ny fil (se den blå pilen i kompletterande fil 1a).
    2. Varje rad i protokollet koden refererar till en parameter av cyklingen (e.g., resten tid och cut-off spänningen) (kompletterande fil 1b). Fyll varje steg som krävs för att utföra en två steg konstant ström-konstant spänning (CC-CV) laddning vid 0.1 C tills 3,6 V, med en 10-mA cutoff nuvarande och en CC ansvarsfrihet vid 0.1 C tills 2,5 V. Efter bildandet steget, Ladda batteriet cellerna på en 30% staten kostnad (SOC). Klicka på knappen Spara och ange ett filnamn.
    3. Markera cellen cyklas genom att klicka på dess motsvarande kanal (se blå pilen nr 1 i kompletterande fil 2). Kanalen är markerade i kolumnen ”stat” som ”valda”. Klicka på knappen Kör (se blå pilen nr 2 i kompletterande fil 2) överst på verktygsfältet.
    4. Välj protokollet (se blå pilen nr 1 i kompletterande fil 3), ange vilken kapacitet (Ah) i cellen (se blå pilen nr 2 i kompletterande fil 3) och tilldela en kammare (se blå pilen nr 3 i kompletterande fil 3). Ange ett giltigt filnamn och klicka på knappen start .

2. cellen fixtur före elektrokemisk testning

  1. Placera varje cell i motsvarande hållare bestående av två styva plattor (med en bredd och längd på 300 mm x 300 mm, respektive, och en tjocklek på 12 mm) gjord av polykarbonat.
  2. Placera ett termoelement i mitten av en av sidorna av varje cell i innehavarna att övervaka yttemperatur variationer.
  3. Placera celler och fixturer inuti en temperatur kammare att styra miljön temperatur under hela försöket. Placera två celler efter ett identiskt protokoll i samma temperatur kammaren.
  4. Anslut cellerna via en 4-trådskoppling till apparat.

3. elektrokemiska Cykling

  1. Cell luftkonditionering
    1. Ställa in temperaturen vid 25 ° C i en klimatkammare. Låt minst 12 h att säkerställa en termisk Jämviktstiden.
    2. Utför tre laddning/urladdning cykler med en batteri-apparat.
      1. Skapa ett protokoll för den batteriet apparat, följande steg 1.3.1 och 1.3.2. I detta fall, justera protokollstegen till en CC-CV laddning vid 0.1 C (från den nominella kapaciteten) upp till 3,7 V (CV fasen tills 0,01 C eller 1 h), sedan CC ansvarsfrihet vid 0.1 C tills 2,7 V. användning en 30 min vila efter varje cykel steg.
      2. Följ steg 1.3.3 och 1.3.4 för kanal och protokoll urval.
      3. När två celler placeras i samma temperatur kammaren (två celler efter samma protokoll), Välj de två motsvarande kanalerna samtidigt. Detta garanterar synkronisering av cykling och kammaren temperaturförhållandet för de två cellerna.
    3. Utföra en referenscykel (steg 3.2) och använda den för att bedöma den ursprungliga kapaciteten (Ci) (tabell 1).
  2. Referera till cykling
    1. Utföra den referens som cykling som del av cellen konditionering (steg 3.1.3) och med jämna mellanrum (dvs.följande 25 långsiktiga åldrande cykler, se nedan).
    2. Ställa in temperaturen på avdelningen vid 25 ° C, när testning utförs vid annan temperatur och ge tillräckligt med tid för en termisk stabilisering (< 1 Kh-1).
    3. Utför två CC laddning/urladdning cykler med en batteri-apparat.
      1. Skapa ett protokoll för den batteriet apparat med programvara, följande steg 1.3.1. och 1.3.2. I detta fall, justera protokollstegen till en CC laddning-urladdning på 0,3 C (t.ex., IEC 62660-1: 2011)13. Efter varje cykel steg, ge extra tid för en temperaturstabilisering (< 1 Kh-1).
      2. Följ steg 1.3.3 och 1.3.4 för kanal och protokoll urval.
      3. När två celler placeras i samma temperatur kammaren (två celler efter samma protokoll), Välj de två motsvarande kanalerna samtidigt. Detta garanterar synkronisering av cykling och kammaren temperaturförhållandet för de två cellerna.
  3. Långsiktiga (åldrande)
    1. Utföra 100 laddning/urladdning cykler. Skapa ett protokoll för den batteriet apparat med programvara, följande steg 1.3.1 och 1.3.2. I detta fall, justera protokollstegen till en CC-CV laddning av 1 C upp till 3,7 V (CV fas fram till 0,1 C eller 1 h) och en CC avtappning av 1 C nuvarande upp till 2,7 V med en konstant temperatur under laddning (Tc) och ansvarsfrihet (Td).
    2. Följ steg 1.3.3 och 1.3.4 för kanal och protokoll urval.
    3. Utför den långsiktiga åldrandet på flera kombinationer av temperatur (10) för de 100 laddning/urladdning cyklerna från steg 3.3.1, i temperaturen sträcker sig från-20 ° C till 30 ° C (se test matris i tabell 1) utvecklas genom DOE D-optimering36 (en minsta fel av prediktion). Ange en viloperiod i protokollet testning av 30 min efter varje laddning eller urladdning steg när Tc och Td är samma (tester nr 1 och 2, 3 och 4, 9 och 10, 13 och 14, och 19 och 20, tabell 1). Men när Tc och Td är olika ange (tester nr 11 och 12, 5 och 6, 7 och 8, 15 och 16 och 17 och 18, tabell 1), en viloperiod tills temperaturen är stabil inom 1 Kh-1.
    4. Utföra en referenscykel efter varje uppsättning 25 cykler (se punkt 3.2).
    5. Upprepa varje test en gång på en annan frisk cell att bedöma dess repeterbarhet.
  4. Nedbrytningshastigheten
    1. Bedöma den cell nedbrytning [kapacitet Retention (CR)] med: i) den senaste referenscykel och först referens cykel, CRref (se punkt 3.2) och ii) långsiktiga kapacitet bibehållande jämföra med den första cykeln, CR långsiktiga (se steg 3.3) och följande ekvationer (1 och 2):
      (1)Equation 1
      (2)Equation 2
      1. Använd den batteriet apparat klientprogram åtkomst till cykling data. Först, Välj mallen för visualisering (fil öppen i kompletterande fil 4), och Välj filnamnet definierade i steg 3.1.2 eller 3.2.3 där så är lämpligt.
        Obs: Kompletterande fil 5 visar ett exempel på cykling data, med kapacitet lagring som en funktion av antalet cykel (kompletterande fil 5, övre grafen) och variationen av potential, och den nuvarande och temperaturen som funktion av tid (kompletterande fil 5, nedre diagrammet). Ekvationer (1) och (2) kan bestämmas direkt från tomterna med hjälp av programvara-funktionerna.
    2. Passar nedbrytningshastigheten (DR) med hjälp av CRref och totalen antal cykler (dvs.den referens cykler och långsiktiga cykler) förutsatt att DR beror på avgiften Tc och ansvarsfrihet Td temperaturer upp till kvadratisk termen och samspelet mellan dessa temperaturer som följer i ekvation (3):
      (3)Equation 3
      Obs: Parametrar Ai och deras statistiska betydelse bestäms av en minsta kvadrat-montering och en ANOVA, förutsatt att mätosäkerheten (err) med en σ varians följer en normalfördelning. Den senare bör bekräftas från fördelningen av återstående av passformen.
      1. För detta ändamål Använd en programvara med funktionen 'Fit modell'. Välj alternativet Stepwise (blå pil nr 1 i kompletterande fil 6) och välja funktionen Max K-vik RSquare (blå pil nr 2 i kompletterande fil 6) och klicka på gå. Detta delar upp datamängden till en motsvarande utbildning delmängd och montering görs på varje delmängd separat. Välj värdet för bästa RSquare för övergripande att undvika overfitting.
      2. Klicka på märke modell. Kompletterande fil 7 visar resultaten av tillbehöret. Det beräknar också betydelsen (PValue) för varje parameter (enjag). Ta bort de minst signifikanta parametrarna i tabellen 'Effekt sammanfattning'. I det här fallet en4 (kvadratisk beroendet av utloppstemperaturen) visades inte betydande. Det togs därför bort från vidare analys. Kompletterande fil 8 visar den slutliga passformen med faktiska data.

4. efter slakt analys

  1. Demontera cellerna. Utföra detta steg släpper ett handskfacket (< 5 ppm för O2 och H2O) för att undvika föroreningar i luften. Skär påse cellerna med keramisk sax. Skär små delar av anod och katod elektroderna (5 x 5 mm) och montera dem på svepelektronmikroskop (SEM) prov stubbar.
  2. Undvika kontaminering genom att placera SEM provhållaren i en förseglad behållare och överföra det direkt till SEM provkammaren genom, till exempel användning av en handske påse fäst på ingången till kammaren som är fylld med inert gas.
    1. För att minska exponering för luft, upprätthålla ett övertryck av inert gas i handske påsen.
  3. För att undersöka djupgående morfologi av elektroderna före och efter Cykling, utföra SEM bildåtergivning med två detektorer för de sekundära elektronerna: en i objektivet detektor och en standard sekundär electron detektor. Användning som accelererar spänning för i objektivet detektorn och sekundära electron detektorn 1 kV och 15 kV, respektive.
  4. För varje prov, karakterisera minst fem olika platser av provets yta att ha representativa SEM micrographs och identifiera potentiella inhomogeneities av ytan. För varje läge, kör SEM imaging på följande förstoringar: 1 kX, 3 kX, 5 kX, 10 kX, 20 kX, 50 kX, 75 kX, 100 kX, 150 kX och 200 kX.
  5. Analysera den kemiska sammansättningen av varje elektrod med en Energy Dispersive X-ray (EDX) spektrometer, med en 80-mm2 silicon drift detektor (SDD).
    1. Använda en accelererande spänning 15 kV och en arbetsavstånd 13 mm för att utföra den elementaranalys använda sekundära electron bilder.
    2. Välj för varje material minst fem olika platser på preparatytan och analysera minst 5 punkter att generera spectra.
    3. Använd olika förstoringar, alltifrån 2 kX till 25 kX, att utföra en semikvantitativ analys och också att bättre rikta någon särskild partiklar eller strukturella förändringar. Som ett resultat, för varje prov, samla in minst 25 EDX spectra att undersöka elementärt sammansättning.
    4. Innan du börjar den kemiska analysen på en given plats i ett exemplar, använda koppar för spektral kalibrering. Genomsnittliga värden som uppmätts på olika platser i varje prov, med avseende på den EDX kartläggningen, Använd slutligen 2 h förvärv tid.

Representative Results

Påse celler (driftspänning intervall mellan 2.50-3,70 V) med en nominell kapacitet på 6 Ah har använts i denna studie. Resultat från deras elektrokemisk karaktärisering är uppdelad i tre delar: i) cykling vid samma laddning och urladdning temperaturer (steg 1.1), ii) cykling vid olika utskrivande temperaturer (och samma kostnad temperatur) (steg 1.2) och iii) cykling vid olika laddning temperaturer (och samma utloppstemperatur) (steg 1.3).

Den kapacitet lagring kontra antalet totala cykel när Tc = Td visas i figur 1en. En lucka kan observeras efter varje 25 cykler (för 4 cykler) motsvarar referens cykling testning. En ytterligare observation utifrån diagrammet är det ganska ovanligt beteenden på Tc = Td vid-20 ° C testning villkor. Efter varje block 25 cykler, finns det en drastisk förfalla av kapacitet och sedan en återhämtning under referensperioden cykling (gjort vid 25 ° C). För de andra kombinationer temperatur visas i diagrammet, observeras förfall i kapacitet. Detta är mest uttalad för (30 ° C, 30 ° C) kombination. Jämväl, referera cykling påverkar nedbrytning trenden för långsiktig testning. CR droppar 0,5 - 1,0% efter referens cykel testning är > 12 ° C och ökar marginellt när cyklingen är < 12 ° C.

Övergripande, den CRlångsiktiga följer ordningen (genomsnittligt värde för dubbla tester) från mer till mindre skadlig jämfört med start prestanda för cellen: 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). När referens cykel testning anses, nedbrytningen följer ordningen: 86% (30 ° C, 30 ° C), 94-95% (5 ° C, 5 ° C), (12 ° C, 12 ° C) och (-5 ° C,-5 ° C), och 96,5% (-20 ° C, -20 ° C) (tabell 1).

Figur 1 b visar åldrande i termer av kapacitet lagring (%) vs. temperatur cykling för alla proverna utvärderas när Tc = Td. Båda hänvisningen cykling och långsiktiga åldrande visas och monterade på en andra gradens polynom ekvation enligt ekvation (3). Det resultat som motsvarar den CRlångsiktiga för (-20 ° C,-20 ° C) förkastades från tillbehöret på grund av den observerade märkliga beteende, som uppenbarligen inte följer trenden.

Figur 2 en visar ansvarsfrihet profiler under den långsiktiga cykling. I en låg C-takt [0,3 C (referens cykling) jämfört med 1 C (långvarig cykling)] och högre temperatur [25 ° C (referens cykling) jämfört med-5 ° C (långvarig cykling)], extra egenskaper visas i kurvan ansvarsfrihet (figur 2b ), med tre platåer sträcker sig 3.15-3.30 V. När cyklingen utvecklas, finns det ett drag av platåerna till lägre kapacitet och en liten ändring på spänningen platåer potential.

Figur 3 en visar kapacitet utvecklingen med cykling för celler nr 17 och 18 och nr 19 och 20, där Tc = 30 ° C och Td =-5 ° C och 30 ° C, respektive. Data för dubbla tester presenteras med avsikt att bevisa repeterbarhet. Liknande beteende observerades för dubbletter, således i följande endast en testresultat visas och CR värdena avser det genomsnittliga värdet. Långsiktiga cykling gör cellen förmåga att minska kombinationer av två temperatur, med en högre nedbrytning (30 ° c, 30 ° C) jämfört med (30 ° C,-5 ° C), 86% jämfört med 90% (tabell 1). Den motsatta trenden finns när jämföra hänvisningen cyklar [celler nr 19 och 20 (30 ° C, 30 ° C vid 86% och celler nr 17) och 18 (30 ° C, -5 ° C) på 82%, tabell 1]. I slutet av cyklingen visade några gupp på celler nr 17 och 18. En obduktion utvärdering av prover som tagits från cell No. 17 genomfördes för att förstå arten av dessa knölar. Resultaten visas och diskuteras i resultatet. Det måste noteras att knölar utvecklas över tiden och syntes också i flera andra celler som testats vid olika kombinationer av temperatur (visas inte här).

Figur 3 b visar resultaten motsvarar celler nr 3 och nr 5, med samma Tc =-5 ° C och en annan Td =-5 ° C och 30 ° C, respektive. Efter 100 cykler, kapacitet lagring (100% och 91%, respektive) högre (-5 ° C,-5 ° C) än vid (-5 ° C, 30 ° C). Tester som utförs när den samma Tc och olika Td används visas i figur 3c [celler nr 11 (12 ° C, -10 ° C) och nr 13 (12 ° C, 12 ° C)]. Efter 100 cykler visar kapacitet lagring nästan ingen nedbrytning för den första cellen och 96 procent för andra.

När den samma Td (30 ° C) och olika Tc (-5 ° C och 30 ° C) används, visar kapaciteten det beteende som visas i figur 4en (celler nr 5 och nr 19). Efter 100 cykler är lagring i kapacitet högre för de celler som cyklade vid olika temperaturer (cirka 91%) än när det gäller celler cyklade vid samma temperatur (cirka 86%) (Tabell 1).

En långsiktig utvärdering på Td =-5 ° C och Tc = 30 ° C och -5 ° C, respektive (cellerna nr 3 och nr 17) presenteras i figur 4b. På samma Td, Tc = 30 ° C är mer skadligt än Tc =-5 ° C, som tidigare nämnts. Lagring i kapacitet efter 100 cykler är nära 100% för cykling (-5 ° c,-5 ° C) och 90% för cykling i 30 ° C,-5 ° C (tabell 1).

Slutligen, prestanda när Td =-20 ° C visas i figur 4c (cells nr 1, nr 7 och nr 15 med Tc =-20 ° C, 0 ° C och 15 ° C, respektive). Data när cykling (-20 ° c,-20 ° C) förklarades tidigare. Ett ganska liknande resultat uppstår i denna figur men i lägre grad. Denna effekt har också upptäckts av andra40. Lagring i kapaciteten spänner är 90-102% relativt till CRlångsiktiga och ∼96% i förhållande till CRref.

En visuell undersökning av cell nr 17 (Tc = 30 ° C, Td =-5 ° C) visade signifikant stora bula delar (de vita pilarna i siffror 5a och 5b). Dessutom observerades en zon av räfflad struktur längst ned i påsen och grafit elektroderna (röd cirkel, siffror 5a och 5b). Den här cellen presenteras högsta graden av nedbrytning och lägsta lagring i kapacitet i förhållande till CRref (tabell 1).

Prover från anoden och katoden elektroderna skördades i 3 separata områden; knölen den veckade och de centrala delarna (den senare med inga synliga skavanker). Färska celler (efter bildande) var också öppnas och utreds för jämförelser.

Figur 6 visar SEM-bilder av de skördade anod material. Av figuren framgår att olika morfologiska egenskaper är urskiljbara.

Figure 1
Figur 1 . Kapacitet källskatter. (en) denna panel visar kapacitet lagring efter 100 cykler vid samma laddning och urladdning temperaturer. (b) i denna panel visas kapacitet lagring (i förhållande till långsiktiga åldrande och referens cykling) vs. temperatur. Cell tester: nr 1 (-20 ° C, -20 ° C), nr 3 (-5 ° C, -5 ° C), nr 9 (5 ° C, 5 ° C), nr 13 (12 ° C, 12 ° C) och nr 19 (30 ° C, 30 ° C). Denna siffra har ändrats från Ruiz et al. 39. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2. Ansvarsfrihet profiler för celler: nr 17 (30 ° C, -5 ° C). (en) denna panel som visar den långsiktiga cykling med (en C-1 C) och en temperatur på-5 ° C. (b) i denna panel visas referensen cykling med (en C-0,3 C) och en temperatur på 25 ° C. Denna siffra har ändrats från Ruiz et al. 39. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3. Kapacitet kvarhållande för celler med samma TC och olika Td. Dessa paneler visar de kapacitet källskatter och effekten av varierande ansvarsfrihet temperaturer av celler (en) nr 17 och 18 (30 ° C, -5 ° C) och nr 19 och 20 (30 ° C, 30 ° C), (b), nr 3 (-5 ° C, -5 ° C) och nr 5 (-5 ° C, 30 ° C) , och (c) nr 11 (12 ° C, -10 ° C) och nr 13 (12 ° C, 12 ° C). Denna siffra har ändrats från Ruiz et al. 39. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4. Kapacitet kvarhållande för celler med olika TC och samma TD . Dessa paneler visar de kapacitet källskatter och effekten av varierande kostnad temperaturer av celler (en) nr 5 (-5 ° C, 30 ° C) och nr 19 (30 ° C, 30 ° C), (b) nr 3 (-5 ° C, -5 ° C) och nr 17 (30 ° C, -5 ° C), och (c), nr 1 (-20 ° C -20 ° C), nr 7 (0 ° C, -20 ° C) och nr 15 (15 ° C, -20 ° C). Denna siffra har ändrats från Ruiz et al. 39. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5. Postmortala utvärderingar för cell nr 17. Dessa paneler visar (en) en påse cell efter 100 cykler, och (b) en anod elektrod efter öppning/upptagning. De vita pilarna visar gupp testning och den röda cirkeln visar ett rippel område. Båda funktionerna genererades under elektrokemisk testning. De externa dimensionerna av cellen påse är 250 x 164 mm. Denna siffra har ändrats från Ruiz et al. 39. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6. SEM imaging. Dessa paneler Visa SEM imaging vid låga och höga förstoringar för (en) en färsk anod (cell No. 17) vid (b) bula zon och (c) centrala zonen, och för (d), skördade anoden (cell No. 17) på (e) knölen zon och (f ) centrala zonen. Nästa panelerna visar sekundära elektroner SEM imaging för (g) en fräsch och för skördade anoden från cell nr 17 vid (h) bula zon och (jag) centrala zonen (infoga: en mappning med EDX indikerar Cu-rika nanopartiklar). Denna siffra har ändrats från Ruiz et al. 39. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7 . Yta monterad [ekv (4)] och experimentellt beräknade priser för nedbrytning (prickar) i laddning/urladdning temperatur utrymmet från referens cykler (R2 = 0,92). n = antal cykler. Röd indikerar en lägre graden av nedbrytning och blå en högre frekvens av nedbrytning. Denna siffra har ändrats från Ruiz et al. 39. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Cell testa nr TC /° C TD /° C ΔT /° C C1 /Ah CRlångsiktiga (%) Cjag /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
* efter 95 cykler, gråzon indikerar testprotokoll där Tc = Td

Tabell 1. Nominell och beräknade parametrarna för cellerna testas vid olika temperatur kombinationer. [Tc/° C: temperatur kostnadsfritt, Td/° C: temperatur av avräkningsnotan, ΔT/° C: | Td - Tc |, C1/Ah: Grundnivå kapacitet långsiktiga åldrande, CRlångsiktiga (%): kapacitet lagring i förhållande till den första cykeln, Cjag/Ah: inledande kapacitet beräknas av den referera till cykel, CRref (%): kapacitet lagring i förhållande till den första referenscykel, DR (Ah n-1) / Ah: nedbrytningshastigheten beräknas från referenscykel efter 100 cykler (linjär trend antas), n = antalet cykler.]

Supplementary Files
Kompletterande filer. Skärmdumpar av programvaruanvändning. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.

Discussion

Beteendet för cykling (-20 ° c,-20 ° C) (figur 1en) kan vara tillskrivs (i) kinetiska begränsningar under laddning (en minskad ion diffusion, ett eftersatta kostnad överföring motstånd på gränssnittet för elektrod/elektrolyt41, en nedsatt ion ledningsförmåga, en kostnad obalans, etc.) och/eller (ii) litium plätering när laddning vid låga temperaturer kan snabbt diffus när cykling vid höga temperaturer42. När temperaturen är tillbaka till 25 ° C, ion diffusion ökas och det finns en Jämviktstiden obalanserad statens. Detta skulle leda till en kapacitet återhämtning. Ett liknande beteende kunde inte hittas i litteraturen. För typ av celler under utredning rekommenderas inte denna temperatur kombination för en kontinuerlig cykling på grund av snabb kapacitet förfalla, även om det finns viss partiell återhämtning av kapacitet efter en viss återhämtningstid i rumstemperatur.

Celler som cyklade på (12 ° C, 30 ° C) påverkades däremot, oönskat avbrott att cykla referens utvärdering (detta otvivelaktigt förlänger den totala provtiden) (figur 1en). Dessa prover drabbats av försämring sedan början av cyklingen och de kan vara mer mottagliga för ytterligare nedbrytning när man jämför dem med prover cyklade på < 12 ° C.

Den långsiktiga åldrandet med Tc = Td visade en nära andra ordning polynom förhållandet mellan lagring i kapacitet och testning temperaturen (för spänna av-5 ° C till 30 ° C, figur 1b). Omar o.a. 12 visade en liknande beteende (i temperaturområdet från-18 ° C till 40 ° C). Värdet vid (-20 ° C,-20 ° C) beaktades inte som dess beteende skiljer sig drastiskt från den allmänna trenden. Kapacitet mätningar av CRrefframgår det att cykla i intervallet-20 ° C till 15 ° C tillfogar lite nedbrytning (figur 1b). Olika beteende framgår av CRref och CRlångsiktiga kan förklaras som de beräknas på tester utförda vid olika temperaturer och olika C-priser. Således, de är känsliga för olika processer: irreversibel åldrande (konsekvenserna av nedbrytning är evig)12,43 och reversibel åldrande [följden av åldrande kan bli återställda (t.ex.förlängt resten gånger)]. Det kan anses att dels, CRref är känsliga till irreversibel försämring och, å andra sidan, CRlångsiktiga är känslig för både reversibla och irreversibla nedbrytning.

Ansvarsfrihet profiler under långsiktig testning förbli jämförbara (figur 2en); den största skillnaden är > 3 Ah (en droppe i ansvarsfrihet egenskap)8. För referens cykling (figur 2b), tre platåer kan observeras i intervallet 3.15-3.30 V, motsvarande spänning skillnaden mellan katoden (3.43 V motsvarar de redox par Fe3 +/Fe2 +)44 och interkalation faser anod45,46. När Cykling, finns det en förskjutning till lägre kapacitetsvärden, på grund av konsumtion av återvinningsbara litium eller en materiell försämring på grund av åldrande47.

När du cyklar på en viss Tc, konstaterades det att långsiktiga stabilitet är högre vid en lägre Td. Detta är förenligt med den allmänna tendensen att högre temperaturer leder till en högre degradering. Detta observerades för de tre par kombinationer utvärderas och visas i figurerna 3a - 3 c. Således, cykling på Td = 30 ° C leder till en högre nedbrytning än Td =-5 ° C, Tc vara desamma. På samma sätt Td = 12 ° C är mer krävande än Td =-10 ° C när Tc är den samma (12 ° C).

I vissa fall hittade nedbrytning trenden för referens cykling är motsatt som visas för den långsiktiga cykling. Detta är de mål för (30 ° C,-5 ° C) vs. (30 ° C, 30 ° C) och 12 ° C,-10 ° C vs. (12 ° C, 12 ° C) cykling. Referens cykel bedömningen visar endast oåterkalleliga nedbrytning, medan den långsiktiga åldrandet påverkas av såväl reversibel som irreversibel effekter. Förutom, 1 C cykling leder till högre ohmsk droppar (högre vid lägre temperaturer). Om beteendet hos celler testade (30 ° c,-5 ° C) är jämfört med celler testade (-5 ° c, 30 ° C), det kan konstateras att det i båda fallen finns en jämförbar degradering [CRlångsiktiga runt 90% (tabell 1)]. CRref visar dock en lägre nedbrytning vid (-5 ° C, 30 ° C). Under dessa förhållanden (dvs.en given Td) innebär en högre Tc mer nedbrytning, vilket framgår av figurerna 4a och 4b. TC = 30 ° C cykling försämrar cellerna mer jämfört med Tc =-5 ° C (när Td är samma). Detta är förenligt med tolkningen av data för andra cykling villkor som tidigare diskuterats.

Som en sammanfattning, kan slutsatsen dras att cykling på (-5 ° C,-5 ° C), (0 ° C,-20 ° C), (5 ° C, 5 ° C), (12 ° C, -10 ° C) och 15 ° C,-20 ° C över 100 cykler ledde till nästan ingen nedbrytning. Proverna provas vid Td =-20 ° C visade sig vara stabila (återvinning i kapacitet vid + 25 ° C, figur 4c), vilket gör att dessa prover passar sub rum temperatur program. Denna kapacitet återhämtning är mindre imponerande när öka Tc. Det beteende som visas av denna uppsättning prover visar att det finns en stor del av reversibel försämring vid låga temperaturer (kinetic komponent).

Första villkoret av anoden materialet (graphite) yta är vanligtvis jämna (siffror 6a och 6 d). Efter Cykling, luckrar ytan, också observeras av andra48. Förändringen i morfologi är mer uppenbara i stötte zonen (siffror6b och 6e) jämfört med den centrala delen av elektroden (figur 6 c och 6f). När förstoringen ökas, är halvsfärisk partiklarna synliga i zonen stötte (figur 6e). Dessa strukturer har en genomsnittlig diameter av 35 – 175 nm och har också observerats av andra49,50,51. I dessa studier har de tilldelats till plätering av granulat metalliska Li partiklar49,50 som SEI lagret växer50. En möjlig förklaring till detta platting kan tilldelas till: (i) en viss överpris som beskrivs av Lu et al. 49 (10% overlithiation) eller (ii) inhomogena komprimering på elektroderna som studerats av Bach o.a. 52.

Sekundära elektronen SEM skildrar ljusa partiklar distribueras i en cyklat anod (figur 6i). Dessa partiklar är mindre synliga i zonen krusade (kompletterande uppgifter, figurS1) och är inte synliga i zonen bula (figur 6 h). EDX utredningar identifieras dessa partiklar som metalliska Cu (se Infoga i figur 6jag och kompletterande data i Figur S2). Det är möjligt att Cu (nuvarande collector) upplöser och påskyndar på elektroden (t.ex., nuvarande collector korrosion uppstår på grund av reaktivitet med elektrolyten och när anoden potentiella är alltför positiv vs Li/Li+) 28. i zonen stötte spår av Cu med en koncentration över bakgrunden signalen har också varit abserved. Det är kan vara spekulerade att villkoren i denna zon av någon anledning, inte gynnar utfällning av Cu. Slutligen har också spår av Fe mätts. Detta kan hänföras till upplösningen av järn från katoden material (LiFePO4), som identifierats av andra48,53,54. LiPF6 baserat elektrolyter (HF spår)55, en utvärdering av cyklat katoden visade inga förändringar jämfört med det färska materialet (kompletterande material, Figur S3). Ytterligare pågår experiment för att ytterligare karakterisera dessa katod material.

De nedbrytning (DRs) från tabell 1 beräknats från CRref var plottade kontra testning temperaturer (laddning och urladdning), sedan monterats av minsta kvadrat-metoden (2D). Figur 7 visar surface-tillbehöret genereras, där prickarna är uppmätta DRs. Datamängden var uppdelad i lärande och verifiering datamängder för montering. Ett polynom funktion var utvalda (bästa R2). Rött representerar förhållandena med lägre DRs och blå representerar villkor med högre DRs. Resulterande modell ekvationen är:

(4)Equation 4Equation 5

Den statistisk signifikans av polynom koefficienter, bekräftas av ANOVA, leder till en kvadratisk förhållandet av DR med Tc och ett linjärt samband med Td.

Andra observationer som kan vara till hjälp om lämpliga applikationer behöver väljas: När Tc är runt15 ° C, DR är inte beroende av Td; När Tc < 15 ° C, en högre degradering sker på en högre Td; När Tc > 15 ° C, en lägre nedbrytning sker vid en högre Td; lägsta DR motsvarar (Tc =-7 ° C, Td =-20 ° C); den högsta DR motsvarar (Tc = 30 ° C, Td =-20 ° C) eller (Tc =-20 ° C, Td = 30 ° C).

De resultat som presenteras i detta arbete kan vara av betydelse för utformningen av framtida standarder och föreskrifter för att företräda mer realistiska scenarier. Ytterligare experiment med andra kemiska sammansättningar behövs för att kontrollera giltigheten av dessa slutsatser för att hitta en optimal driftområdet beroende på applikation. Ytterligare arbete kommer att utvärdera effekterna av kalender åldrande.

Disclosures

Författarna Matteo Destro och Daniela Fontana är anställda av Lithops S.r.l som producerar batteri cellerna som används i denna artikel. De andra författarna inte har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna tackar Marc Steen och Lois Brett för deras utmärkta stöd granska detta manuskript.

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

Kemi fråga 137 Lithium-ion battericeller nedbrytning elektrokemisk utvärdering miljöförhållanden design av experiment åldrande
Effekten av laddning och urladdning litium järn fosfat-grafit celler vid olika temperaturer på nedbrytning
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