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 lading og utlading Lithium jern fosfat-grafitt celler ved forskjellige temperaturer på degradering

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

Denne artikkelen beskriver effekten av ulike lading/lossing temperaturer på nedbrytning av lithium jern fosfat-grafitt veske celler, sikte på simulere nær reelle scenarier. Totalt er 10 temperatur kombinasjoner undersøkt i området -20 til 30 ° C for å analysere effekten av temperatur på degradering.

Abstract

Effekten av lading og utlading lithium jern fosfat-grafitt celler ved forskjellige temperaturer på deres fornedrelse evalueres systematisk. Nedbrytning av cellene vurderes ved hjelp av 10 lading og utlading temperatur permutasjoner spenner fra 20 ° C til 30 ° C. Dette gjør en analyse av effekten av lade- og utladingssykluser temperaturer på aldring og sine assosiasjoner. Totalt 100 charge/discharge sykluser ble utført. Hver 25 sykluser en referansesyklus ble utført for å vurdere reversible og irreversible kapasitet nedbrytning. En multi-faktor analyse av varians ble brukt, og eksperimentelle resultatene ble montert viser: i) en kvadratisk forholdet mellom frekvensen av nedbrytning og temperaturen på kostnad, ii) en lineær sammenheng med temperaturen på utslipp, og iii) sammenheng mellom temperaturen i kostnader og utslipp. Det ble funnet at temperaturen kombinasjonen for lading på 30 ° C og lossing på 5 ° C ført til den høyeste frekvensen av nedbrytning. På den annen side, førte sykling i et temperaturområde fra 20 ° C til 15 ° C (med ulike kombinasjoner av temperaturer på lade- og utladingssykluser), til en mye lavere degradering. I tillegg når temperaturen av 15 ° C, ble det funnet at fornedrelse er nondependent på temperaturen utslipp.

Introduction

Holdbarhet har blitt en av de avgjørende emnene av interesse i litium-ion batterier (LIB)1,2,3 forskning, ikke forsømme sikkerhet atferd, ytelse og pris. Batteriet fornedrelse er spesielt utfordrende for e-mobilitet programmer som relativt lang levetid er nødvendig4,5,6 sammenlignet med andre programmer (f.eks, et par år for forbruker elektronikk). Første resultatene av LIBs (f.ekskapasitet og motstand) forverres over tid på grunn av elektrokjemiske og kalender aldring. Mange faktorer (f.ekselektrode materiale, miljøforhold, aktuelle laster og cut-off spenninger) kan være avgjørende i fornedrelse. Litteraturen identifiserer temperatur som en av de viktigste faktorene som påvirker nedbrytning av elektroden aktive materialer og elektroden-elektrolytt siden reaksjoner7. Til tross for den enorme mengden av publikasjoner i litteratur håndtere batteriets levetid på forskjellige temperaturer1,8,9,10,11, 12, disse studiene bare representerer bestemte celler, metoder og innstillinger brukes. Derfor er ekstrapolering til andre celler ikke trivielt, gjør en kvantitativ sammenligning mellom forskjellige studier svært vanskelig.

Det kan forventes at sykling på ulike lading og utlading kan ha noen innflytelse på degradering oppførselen til batteriet fordi mange av prosessene forårsaker nedbrytning temperatur avhengig. Videre i en rekke programmer, ulike lading og utlading temperaturer representerer et mer overbevisende scenario [f.eks, batteriet til en e-sykkel belastet i temperaturkontrollerte omgivelser (innendørs) og e-bike syklet (dvs. , utladet) ved forskjellige temperaturer (utendørs); sesongmessige og daglig temperatur kursbevgelsene er erfarne i mange programmer]. Imidlertid studere aldring testresultater publisert i litteraturen vanligvis samme temperatur for lading og utlading trinnene. Også bruke relevante standarder13,14,15,16,17 og test metoden håndbøker18,19,20 samme temperatur. Vi fant i litteratur ett eksempel sykling på forskjellige temperaturer (f.eks, 45 ° C, 65 ° C)21 for lade- og utladingssykluser. Forfatterne av dette arbeidet beskrevet en høyere fade i kapasiteten ved høyere temperatur utslipp, som ble tilskrevet solid elektrolytt grensesnitt (SEI) lag vekst og litium plating21. Evalueringen av batteriet fornedrelse under forhold representant for realistiske scenarier er ønskelig. Fremtidige standarder og bestemmelser kan nytte resultatene som presenteres i dette arbeidet på testing av kostnader og utslipp ved forskjellige temperaturer22.

Som regel testing temperaturer akselerere fornedrelse1,11,12, øke veksten av SEI11,23,24og fremme variasjoner i SEI 11,23. På den annen side, lav temperatur sykling resulterer i usannsynlig utfordringer: plating og dendrite vekst er tilrettelagt (langsom litium-ion spredning)25,26,27,28. Litium metall kan reagere videre med elektrolytt fører til en redusert holdbarhet og redusert sikkerhet grad28,29.

Wang et al. 8 publisert at fade inn kapasitet fulgt en strøm lov forhold til kostnad gjennomstrømningen (temperaturer mellom 15 ° C og 60 ° C). Andre forfattere har beskrevet en kvadratrot tid forhold tones inn kapasitet10,30,31,32,33,34. Dette er ment for å representere irreversibel kapasitet tapet til veksten av SEI30,31 hvor aktiv litium er fortært. Kapasitet fornedrelse kan også ha en andel av lineær dårligere med tiden33,34,35. Endelig noen simuleringer av fade inn ved forskjellige temperaturer var godkjent med eksperimentelle resultater og data viste en eksponentiell avhengighet av nedbrytning og temperatur8,10.

I dette fungerer, effekten av ulike temperaturer kostnadsfritt og utslipp på degradering oppførselen til lithium jern fosfat (LFP) / grafitt celler designet sub temperaturer er beskrevet. Antall mulig temperatur kombinasjoner ble minimert ved hjelp av en design av eksperimentet (DOE) metoden36; en tilnærming brukes vanligvis i industrielle optimalisering prosesser. Denne metoden ble også brukt av Forman et al. 37 å studere batteri fornedrelse, gir minimum prediksjon feilen (D-optimal). Muenzel et al. eventuelt 38 utviklet en ekstra liv prediksjon modell gjenbruk av data fra Omar et al. 12. dataene var utstyrt, og en degradering matrise ble innhentet.

I arbeidet, var dataene innhentet utstyrt med en ikke-lineær minst kvadrat passende (polynom) som inkluderer første orden interaksjoner mellom temperaturer kostnadsfritt og utslipp. En variansanalyse (ANOVA) ble brukt til å evaluere koeffisientene og graden av polynom. Metoden hjelper for å forstå effekten av temperatur og utslipp og deres mulig interaksjon. Denne informasjonen kan være relevant å støtte etableringen av fremtidige anfall for hensikt og realistisk protokoller og standarder.

Protocol

Merk: Protokollen etterfulgt i dette arbeidet er forklart i detalj i Ruiz et al. 39. en oppsummering av de viktige trinnene er beskrevet nedenfor.

1. pose celle forberedelse og dannelse

  1. Dikte veske celler i formatet B5, har dimensjonen av 250 x 164 mm med en ca 4 mm tykkelse, med kunstige grafitt anode materiale, lithium jern fosfat (LFP) som katoden materiale og 25-µm tykk polypropylen skilletegn.
  2. Bruke 80 g elektrolytt: 1 M LiPF6 i etylen karbonat: diethyl karbonat (2:3 w/w) med 1% vinylene karbonat.
    Merk: Veske cellen fabrikasjon ble utført i en semi-automatisk industrielle pilot linje som består av følgende trinn: jeg) en slurry forberedelse inneholder følgende aktive materiale: grafitt for anode og LFP for katoden, en ringperm, og ledende tilsetningsstoffer i en lab-skala blandebatteri, ii) en slurry belegg på gjeldende samlere (aluminiumsfolie og kobber folie, for anoden og katoden elektroder, henholdsvis), iii) en kalendering for en optimalisert elektrode ytelse i forhold til f.eks, elektrode tetthet, porøsitet, tykkelse, elektronisk ledningsevne og impedans, etterfulgt av iv) montering, elektrolytt fylle og tetting.
  3. Utføre dannelsen av cellen. Opprette en sykling protokoll med batteri cycler programvaren på følgende måte.
    1. Bruk funksjonen bygge Test av batteriet cycler programvaren. Klikk på ikonet ny fil (se den blå pilen i supplerende filen 1a).
    2. Hver linje i protokollen koden refererer til en parameter av sykling (f.eks, hvile tid og cut-off spenning) (supplerende filen 1b). Fyll ut hvert trinn som kreves for å utføre en to-trinns konstant strøm-konstant spenning (CC-CV) lading på 0,1 EC inntil 3,6 V, med en 10-mA cutoff gjeldende og en CC utslipp på 0,1 EC til 2,5 V. Etter formasjon trinn, lade battericellene på en 30% status for ladingen (SOC). Klikk Lagre -knappen, og angi et filnavn.
    3. Merk cellen å rullere ved å klikke på sin tilsvarende kanal (se blå pil nr. 1 i supplerende fil 2). Denne kanalen er merket i "State"-kolonnen som "valgt". Klikk på Kjør-knappen (se blå pil nr 2 i supplerende fil 2) på verktøylinjen.
    4. Velg protokollen (se blå pil nr. 1 i supplerende filen 3), angi kapasiteten (Ah) i cellen (se blå pil nr 2 i supplerende filen 3) og tilordne et kammer (se blå pil nummer 3 i supplerende filen 3). Angi et gyldig filnavn, og klikk på start -knappen.

2. celle Fixture før elektrokjemiske Testing

  1. Plasser hver celle i tilsvarende holdere består av to stive platene (med en bredde og lengde på 300 mm x 300 mm, henholdsvis og tykkelse på 12 mm) laget av polykarbonat.
  2. Plass en thermocouple midt på en av sidene av hver celle i innehaverne overvåke overflate temperaturvariasjoner.
  3. Plass celler og kamper inne en temperatur kammer å kontrollere miljømessige temperaturen hele eksperimentet. Plass to celler etter et identisk protokoll i samme temperatur kammeret.
  4. Koble celler via en 4-wire-tilkobling til cycler.

3. elektrokjemiske sykling

  1. Cellen condition
    1. Still inn temperaturen ved 25 ° C i miljømessige kammeret. Tillat minst 12 h å sikre en termisk balanse.
    2. Utføre tre charge/discharge sykluser med et batteri cycler.
      1. Opprette en protokoll for batteri cycler, følgende 1.3.1 og 1.3.2. I dette tilfellet justerer protokollen slik en CC-CV lading på 0,1 EC (fra det vurderte kapasiteten) til 3,7 V (CV fasen til 0,01 C eller 1 h), deretter CC utslipp på 0,1 EC til 2.7 V. Bruk en 30 min hvile etter hvert sykling trinn.
      2. Følg trinn 1.3.3 og 1.3.4 for kanal og protokollen valg.
      3. Når to cellene er plassert i samme temperatur chamber (to celler etter samme protokoll), velger du de to tilsvarende kanalene samtidig. Dette garanterer synkroniseringen av sykle og chamber temperaturen for de to cellene.
    3. Utføre en referansesyklus (trinn 3.2) og bruke den for å vurdere første kapasitet (Cjeg) (tabell 1).
  2. Referanse sykling
    1. Utføre referansen sykling som en del av cellen condition (trinn 3.1.3) og ved periodiske intervaller (dvs.følgende 25 langsiktige aldring sykluser, se nedenfor).
    2. Angi temperaturen på kammeret ved 25 ° C, når testing utføres på en annen temperatur, og gi nok tid for en termisk stabilisering (< 1 Kh-1).
    3. Utføre to CC charge/discharge sykluser med et batteri cycler.
      1. Opprette en protokoll for batteri cycler med programvare, følgende 1.3.1. og 1.3.2. I dette tilfellet justerer protokollen slik en CC lading-lossing 0,3 c (f.eksIEC 62660-1:2011)13. Tillat ekstra tid for en temperaturstabilisering (< 1 Kh-1) etter hver sykling trinn.
      2. Følg trinn 1.3.3 og 1.3.4 for kanal og protokollen valg.
      3. Når to cellene er plassert i samme temperatur chamber (to celler etter samme protokoll), velger du de to tilsvarende kanalene samtidig. Dette garanterer synkronisering av sykle og chamber temperaturen for de to cellene.
  3. Langsiktig (aldring)
    1. Utføre 100 charge/discharge sykluser. Opprette en protokoll for batteri cycler med programvare, følgende 1.3.1 og 1.3.2. I dette tilfellet Juster protokollen slik en CC-CV lading av 1 C til 3,7 V (CV fase til 0,1 C eller 1 h) og en CC lossing av 1 C gjeldende til 2,7 V med en konstant temperatur under kostnad (Tc) og under utslipp (Td).
    2. Følg trinn 1.3.3 og 1.3.4 for kanal og protokollen valg.
    3. Gjennomføre langsiktige aldring på flere temperatur kombinasjoner (10) for de 100 charge/discharge syklusene fra trinn 3.3.1, temperaturen varierer fra 20 ° C til 30 ° C (se testmatrise i tabell 1) utviklet gjennom DOE D-optimalisering36 (minst feil av prediksjon). Angi en hvile tid i den tester protokollen 30 min etter hver lading eller lossing trinn når Tc og Td er de samme (testene nr. 1 og 2, 3 og 4, 9 og 10, 13 og 14 og 19 og 20, tabell 1). Imidlertid når Tc og Td er forskjellige angi (tester nei 11 og 12, 5 og 6, 7 og 8, 15 og 16 og 17 og 18, tabell 1), en hvile tid til temperaturen er stabil innen 1 Kh-1.
    4. Utføre en referansesyklus etter hvert sett med 25 sykluser (se trinn 3.2).
    5. Gjenta hver test en gang på en annen frisk celle å vurdere sin repeterbarhet.
  4. Fornedrelse rate
    1. Vurdere celle fornedrelse [kapasitet oppbevaring (CR)] hjelp: i) den siste referanse syklusen og først referanse syklus, CRref (se trinn 3.2) og ii) til langsiktig kapasitet oppbevaring sammenligne med den første syklusen, CR langsiktig (se trinn 3.3) og de følgende ligningene (1 og 2):
      (1)Equation 1
      (2)Equation 2
      1. Bruk batteriet cycler klientprogramvare tilgang til sykling data. Først Velg en mal for visualisering (fil åpen i supplerende filen 4), og velg filnavn angitt i trinn 3.1.2 eller 3.2.3 hensiktsmessig.
        Merk: Utfyllende fil 5 viser et eksempel på sykling dataene, med kapasitet oppbevaring som en funksjon av hvor syklus (supplerende fil 5, øverste grafen) og variasjonen av potensial, og strøm og temperatur som en funksjon av tid (supplerende fil 5, nederste diagram). Ligninger (1) og (2) kan bestemmes direkte fra tomter bruker programvare evner.
    2. Passer fornedrelse priser (DR) ved hjelp av CRref og totalt antall sykluser (dvs.den referansen og langsiktige sykluser) forutsatt at DR avhenger av tillegget Tc og utslipp Td temperaturer opp til kvadratiske sikt og samspillet mellom disse temperaturer slik i ligningen (3):
      (3)Equation 3
      Merk: Parametrene Ai og deres statistiske betydning bestemmes av en minste-torget passende og en ANOVA, forutsatt at måling usikkerheten (feil) med en σ varians følger en normalfordeling. Sistnevnte skal bekreftes fra distribusjon av gjenværende på plass.
      1. For dette formålet kan du bruke en programvare med funksjonen "Passer modell". Velg alternativet Stepwise (blå pil nr. 1 i supplerende filen 6) og velge Max K ganger RSquare funksjonen (blå pil nr 2 i supplerende filen 6) og klikk på gå. Dette deler datasettet til en tilsvarende opplæring delsett og montering gjøres på hver del separat. Velg den beste samlede RSquare verdien å unngå overfitting.
      2. Klikk på modellen. Supplerende filen 7 viser resultatet av montering. Også beregnes betydningen (PValue) for hver parameter (enjeg). I tabellen "Effekt Sammendrag", Slett parameterne minst signifikante. I dette tilfellet en4 (den kvadratiske avhengigheten av temperaturen utslipp) ble vist ikke betydelig. Det ble derfor fjernet fra videre analyse. Supplerende filen 8 viser den endelige passformen med de faktiske dataene.

4. post-mortem analyse

  1. Demonter cellene. Utføre dette trinnet i en hanskerommet (< 5 ppm for O2 og H2O) for å unngå forurensning i luften. Kutte posen cellene med keramiske saks. Kuttet små deler av anoden og katoden elektrodene (5 x 5 mm) og montere dem på scanning elektron mikroskop (SEM) eksempel stubber.
  2. Unngå smitte ved å plassere SEM eksempel abonnenten i lukket beholder og direkte overføre det til SEM eksempel kammeret gjennom, for eksempel bruk av en hanske bag knyttet til inngangen til kammeret som er fylt med inert gass.
    1. For å redusere eksponering til luft, opprettholde en overtrykk inert gass i hanske posen.
  3. Undersøke grundig morfologi av elektrodene før og etter sykling, utføre SEM bildevisning to detektorer for sekundær elektronene: en i objektivet detektor og en standard videregående electron detektor. Bruk som akselererer spenning i objektivet detektoren og videregående electron detektoren 1 kV og 15 kV, henholdsvis.
  4. For hver prøve, karakterisere minst fem forskjellige steder av prøvens overflate har representant SEM micrographs og å identifisere potensielle inhomogeneities av overflaten. For hvert sted, utføre SEM bildebehandling på de følgende størrelser: 1 kX, 3 kX, 5 kX, 10 kX, 20 kX, 50 kX, 75 kX, 100 kX, 150 kX og 200 kX.
  5. Analysere den kjemiske sammensetningen av hver elektrode med en energi dispersiv X-ray (EDX) spektrometer, med en 80 mm2 silisium drift detektor (SDD).
    1. Bruke en akselererende spenning på 15 kV og en arbeidsavstand 13 mm utføre grunnleggende analyse videregående electron bilder.
    2. Velg for hvert materiale minst fem forskjellige steder på prøveoverflaten og analysere minimum 5 poeng å generere spectra.
    3. Bruk forskjellige størrelser, alt fra 2 kX til 25 kX, utføre en semi kvantitativ analyse og også gjøre noen bestemt partikler eller strukturelle endringer. Resultatet for hver prøve, samle minst 25 EDX spectra undersøke grunnleggende komposisjonen.
    4. Før du starter kjemisk analyse på et bestemt sted på en prøve, kan du bruke kobber for spectral kalibreringen. Til slutt bruker gjennomsnittsverdiene målt på ulike steder av hver prøve, med hensyn til den EDX kartleggingen, 2T til anskaffet.

Representative Results

Veske celler (driftsspenning varierer mellom 2.50-3.70 V) med en nominell kapasitet på 6 Ah har vært brukt i denne studien. Resultatene fra deres elektrokjemiske karakteristikk er delt inn i tre deler: i) sykling på samme lading og utlading temperaturer (trinn 1.1), ii) sykling på forskjellige lossing temperaturer (og samme kostnad temperatur) (trinn 1.2) og iii) sykling på forskjellige lading temperaturer (og samme utslipp temperatur) (trinn 1.3).

Den kapasitet oppbevaring vs hvor sum syklus når Tc = Td vises i figur 1en. Et gap kan observeres etter hver 25 sykluser (for 4 sykluser) tilsvarer referanse sykling testing. En ekstra observasjon basert på grafen er ganske uvanlig virkemåte på Tc = Td på 20 ° C testing forhold. Etter hver blokk 25 sykluser, er det en drastisk nedbrytning av kapasitet og deretter en rekreasjon under referansen sykling (gjort ved 25 ° C). For andre temperatur kombinasjoner vises i diagrammet, er forfall i kapasiteten observert. Dette er en høyst uttalt for (30 ° C, 30 ° C) kombinasjon. Likeledes, referere sykling påvirker fornedrelse utviklingen av langsiktige testing. CR drops 0,5 - 1,0% etter referanse cycle testing er > 12 ° C og øker marginalt når sykling er < 12 ° C.

Samlet, den CRlangsiktige følger rekkefølgen (gjennomsnittsverdien for dupliserte tester) fra mer å mindre skadelige sammenlignet med start ytelsen til 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). Når referanse cycle testing er vurdert, nedbrytning følger rekkefølgen: 86% (30 ° C, 30 ° C), 94-95% (5 ° C, 5 ° C), (12 ° C, 12 ° C) og (5 ° C, 5 ° C), og 96,5% (20 ° C, 20 ° C) (tabell 1).

Figur 1 b viser aldring i kapasitet oppbevaring (%) vs temperaturen på sykling for alle prøvene evalueres når Tc = Td. Begge referansen sykling og langsiktig aldring vises og montert en annengrads polynom formel etter formelen (3). Resultatet svarer til den CRlangsiktige (-20 ° c, 20 ° C) ble utrangert fra montering på grunn av observert særegne opptreden, som åpenbart ikke følger trenden.

Figur 2 en viser utslipp profiler under langsiktige sykling. På en lav C-rate [0,3 C (referanse sykling) sammenlignet med 1 C (langsiktig sykling)] og høyere temperatur [25 ° C (referanse sykling) i forhold til 5 ° C (langsiktig sykling)], ekstra egenskaper vises i utslipp kurven (figur 2b ), med tre platåer alt 3.15-3,30 V. Når sykling utvikler seg, er det et trekk av platåer til lavere kapasitet og en liten endring på spenningen av platåer potensialet.

Figur 3 en viser kapasitet utviklingen med sykling for celler No. 17 og 18 og No. 19 og 20, der Tc = 30 ° C og Td = 5 ° C og 30 ° C, henholdsvis. Dataene for dupliserte testene er presentert med hensikten å bevise repeterbarhet. Lignende ble observert i duplikater, dermed følgende eneste testresultatet vil vises og CR -verdiene refererer til gjennomsnittsverdien. Langsiktig sykling gjør kapasiteten til cellen for å redusere for to temperatur kombinasjoner, med en høyere fornedrelse ved (30 ° C, 30 ° C) forhold til (30 ° C, 5 ° C), 86% i forhold til 90% (tabell 1). Den motsatte trenden er funnet når sammenligne referansen sykluser [celler No. 19 og 20 (30 ° C, 30 ° C 86% og celler nr. 17) og 18 (30 ° C, 5 ° C) på 82%, tabell 1]. På slutten av sykling vist noen humper på celler No. 17 og 18. En obduksjon evaluering av prøver fra cellen No. 17 ble utført for å forstå naturen av disse støt. Resultatene vises og diskutert i resultatene. Det må bemerkes at støt utviklet over tid og var også synlig i flere andre celler testet på ulike temperatur kombinasjoner (ikke vist her).

Figur 3 b viser resultatene tilsvarer celler nr. 3 og nr 5, med samme Tc = 5 ° C, og en annen Td = 5 ° C og 30 ° C, henholdsvis. Etter 100 sykluser, kapasitet oppbevaring (100% og 91%, henholdsvis) er høyere på (5 ° C, 5 ° C) enn på (5 ° C, 30 ° C). Tester utført når den samme Tc og ulike Td brukes vises i Figur 3c [celler nei 11 (12 ° C, -10 ° C) og nr. 13 (12 ° C, 12 ° C)]. Etter 100 sykluser viser kapasitet oppbevaring nesten ingen fornedrelse for den første cellen og 96% for andre.

Når den samme Td (30 ° C) og ulike Tc (5 ° C og 30 ° C) brukes, viser kapasiteten virkemåten vises i Figur 4en (celler nr. 5 og No. 19). Etter 100 sykluser er oppbevaring i kapasitet høyere for cellene syklet ved forskjellige temperaturer (ca 91%) enn i celler syklet ved samme temperatur (rundt 86%) (Tabell 1).

En langsiktig evaluering på Td = 5 ° C og Tc = 30 ° C og 5 ° C, henholdsvis (cellene nr. 3 og nr. 17) vises i Figur 4b. På samme Td, Tc = 30 ° C er mer skadelig enn Tc = 5 ° C, som tidligere nevnt. Oppbevaring i kapasitet etter 100 sykluser er nær 100% for sykling (5 ° C, 5 ° C) og 90% for sykling (30 ° C, 5 ° C) (tabell 1).

Til slutt, ytelsen når Td = 20 ° C vises i Figur 4c (celler nr. 1 og nr. 7 nr 15 med Tc = 20 ° C, 0 ° C og 15 ° C, henholdsvis). Dataene når sykling (20 ° C, 20 ° C) ble tidligere forklart. En ganske likt resultatet oppstår i figuren, men til en lavere grad. Denne effekten har også blitt oppdaget av andre40. Oppbevaring i kapasitet området er 90-102% forhold til CRlangsiktige og ∼96% i forhold til CRref.

En visuell undersøkelse av cellen No. 17 (Tc = 30 ° C, Td = 5 ° C) viste signifikant stort brak deler (hvite pilene i tall 5a og 5b). Videre ble en sone med bølgete strukturen på bunnen av posen og grafitt elektroder observert (den røde sirkelen, tallene 5a og 5b). Denne cellen presentert den høyeste frekvensen av fornedrelse og laveste oppbevaring i kapasitet i forhold til CRref (tabell 1).

Prøver fra anoden og katoden elektrodene ble høstet i 3 separate områder; brak den bølgete og de sentrale områdene (sistnevnte med ingen synlige feil). Friske celler (etter formasjon) ble også åpnet og undersøkt for sammenligningsformål.

Figur 6 viser SEM bilder av høstet anode. Fra figuren er det tydelig at ulike morfologiske kjennetegn er lett gjenkjennelig.

Figure 1
Figur 1 . Kapasitet retentions. (en) dette panelet viser kapasitet oppbevaring etter 100 sykluser på samme lade og utslipp temperaturer. (b) dette panelet viser kapasitet oppbevaring (i forhold til langsiktige aldring og referanse sykling) vs temperatur. Celle 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) og No. 19 (30 ° C, 30 ° C). Dette tallet har blitt endret fra Ruiz et al. 39. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. Utslipp profiler for celler: No. 17 (30 ° C, 5 ° C). (en) dette panelet viser langsiktige sykling (en C hastighet 1 c) og en temperatur på 5 ° C. (b) dette panelet viser referansen sykling (en C-rate 0,3 c) og en temperatur på 25 ° C. Dette tallet har blitt endret fra Ruiz et al. 39. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. Kapasitet oppbevaring for celler med samme TC og annerledes Td. Disse skjermbildene viser kapasitet retentions og effekten av varierende utslipp temperaturer på celler (en) No. 17 og 18 (30 ° C, 5 ° C) og No. 19 og 20 (30 ° C, 30 ° C), (b) nr 3 (5 ° C, 5 ° C) og nr 5 (5 ° C, 30 ° C) , og (c) nei 11 (12 ° C, -10 ° C) og nr. 13 (12 ° C, 12 ° C). Dette tallet har blitt endret fra Ruiz et al. 39. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4. Kapasitet oppbevaring for celler med forskjellige TC og samme TD . Disse skjermbildene viser kapasitet retentions og effekten av varierende kostnad temperaturer på celler (en) nr. 5 (5 ° C, 30 ° C) og No. 19 (30 ° C, 30 ° C), (b) nr 3 (5 ° C, 5 ° C) og No. 17 (30 ° C, 5 ° C) og (c) nr. 1 (20 ° C 20 ° C), nr 7 (0 ° C, 20 ° C) og nr 15 (15 ° C, 20 ° C). Dette tallet har blitt endret fra Ruiz et al. 39. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5. Obduksjon evalueringer for celle No. 17. Disse skjermbildene viser (en) en veske celle etter 100 sykluser, og (b) en anode elektrode etter åpning/høsting. Hvite pilene angir støt testing og den røde sirkelen angir et område for rippel. Begge funksjonene ble generert under elektrokjemiske testing. Eksterne er veske cellen 250 x 164 mm. Dette tallet har blitt endret fra Ruiz et al. 39. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6. SEM bildebehandling. Disse panelene Vis SEM imaging ved lav og høy forstørrelser for (en) en fersk anode (celle No. 17) (b) bump sone og (c) sentrale sonen og (d) høstet anoden (celle No. 17) på (e) brak sone og (f ) sentrale sonen. Neste panelene Vis sekundære elektroner SEM imaging for (g) en frisk og for høstet anoden fra celle No. 17 (h) bump sone og (jeg) sentrale sonen (sett: en tilordning med EDX angir Cu-rik nanopartikler). Dette tallet har blitt endret fra Ruiz et al. 39. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7 . Overflaten montert [eq. (4)] og eksperimentelt beregnede priser for degradering (prikker) i feltet charge/discharge temperatur fra endres referansen (R2 = 0,92). n = antall sykluser. Rødt angir en lavere pris på fornedrelse og blå en høyere rate av nedbrytning. Dette tallet har blitt endret fra Ruiz et al. 39. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Cellen teste No TC /° C TD /° C ΔT /° C C1 /Ah CRlangsiktige (%) Cjeg /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
* etter 95 sykluser, grå området angir test protokoller der Tc = Td

Tabell 1. Vurdert og beregnede parametere for cellene testet på ulike temperatur kombinasjoner. [Tc/° C: temperatur kostnadsfritt, Td/° C: temperatur utslipp, ΔT/° C: | Td - Tc |, C1/Ah: første syklus kapasitet på langsiktige aldring, CRlangsiktige (%): kapasitet oppbevaring i forhold til den første syklusen, Cjeg/Ah: første kapasitet beregnet av den Referanse syklus, CRref (%): kapasitet oppbevaring i forhold til første referansesyklus, DR (Ah n-1) / Ah: fornedrelse rente beregnes fra referansesyklus etter 100 sykluser (lineær trend antatt), n = antall sykluser.]

Supplementary Files
Supplerende filer. Skjermbilder av programvarebruk. Klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

Virkemåten for sykling (20 ° C, 20 ° C) (figur 1en) kan tilskrives (i) kinetisk begrensninger under lading (en redusert ion diffusjon, en fratatt kostnad overføring motstand på grensesnittet av elektroden/elektrolytt41, en redusert ion ledningsevne, gratis ubalanse, etc.) og/eller (ii) litium plating når lading på lave temperaturer kan raskt spre når sykling på høye temperaturer42. Når temperaturen er tilbake til 25 ° C, ion spredningen er økt, og det er en balanse av ubalansert. Dette vil føre til en kapasitet utvinning. Lignende virkemåter ble ikke funnet i litteraturen. For typen celler under etterforskning anbefales ikke denne temperaturen kombinasjonen for en kontinuerlig sykling på grunn av rask kapasitet forfall, selv om det er noen delvis utvinning kapasitet etter en bestemt gjenopprettingstiden ved romtemperatur.

På den annen side, celler syklet på (12 ° C, 30 ° C) ble uønskede berørt av avbrudd å sykle referanse evalueringen (dette forlenger utvilsomt den samlede testing tid) (figur 1en). Disse prøvene led av nedbrytning siden begynnelsen av sykling og de kan være mer utsatt for flere fornedrelse når sammenligne dem med prøvene syklet på < 12 ° C.

Langsiktig aldring med Tc = Td viste en nær andre orden polynom forholdet mellom oppbevaring i kapasitet og i testing temperatur (for området av 5 ° C til 30 ° C, figur 1b). Omar et al. 12 viste en lignende virkemåte (i temperatur varierer fra-18 ° C til 40 ° C). Verdien (20 ° C, 20 ° C) ble ikke tatt hensyn som virkemåten er drastisk forskjellig fra den generelle trenden. Fra kapasitet målinger av CRrefsynes det at sykling i området 20 ° C til 15 ° C påfører liten nedbrytning (figur 1b). Den ulike atferden demonstrert av CRref og CRlangsiktige kan forklares som de beregnes på tester utført ved forskjellige temperaturer og forskjellige C-priser. Derfor de er følsom for ulike prosesser: irreversibel aldring (konsekvensene av nedbrytning er evigvarende)12,43 og reversibel aldring [konsekvensen av aldring kan være gjenopprettet (f.eksutvidet resten ganger)]. Det kan betraktes som, på den ene siden, CRref er følsom irreversibel fornedrelse og, på den annen siden, CRlangsiktige er følsom for både reversible og irreversible degradering.

Utslipp profiler under langsiktige testing være sammenlignbare (figur 2en); Hovedforskjellen er > 3 Ah (en nedgang i utslipp kapasitet)8. For referanse sykling (figur 2b), tre platåer kan være observert i området 3.15-3,30 V, tilsvarer spenning forskjellen på katoden (3.43 V tilsvarende den redoks par Fe3 +/Fe2 +)44 og innskudd faser i anoden45,46. Når sykling, er det en forskyvning til lavere kapasitetsverdier, på grunn av forbruket av cyclable litium eller en vesentlig redusert på grunn av aldring47.

Ved sykling i en gitt Tc, ble det funnet at langsiktig stabilitet er høyere på en lavere Td. Dette stemmer overens med den generelle trenden som høyere temperaturer føre til en høyere degradering. Dette ble observert i de tre par kombinasjoner evalueres og vises i tallene 3a - 3 c. Dermed sykling Td = 30 ° C fører til en høyere degradering enn Td = 5 ° C, Tc like. Tilsvarende Td = 12 ° C er mer krevende enn Td =-10 ° C når Tc er den samme (12 ° C).

I noen tilfeller fornedrelse trenden fant for referansen sykling er omvendt vises for langsiktig sykling. Dette er den sak (30 ° c, 5 ° C) vs (30 ° C, 30 ° C) og (12 ° C,-10 ° C) vs (12 ° C, 12 ° C) sykling. Referanse syklus vurderingen viser bare uhelbredelig degradering, mens langsiktige aldring påvirkes av både irreversibel og reversibel. Dessuten, 1 C sykling fører til høyere ohmsk drops (høyere ved lavere temperaturer). Hvis atferden til celler testet på (30 ° C, 5 ° C) er i forhold til celler testet på (5 ° C, 30 ° C), kan det konkluderes at i begge tilfeller er det en sammenlignbare nedverdigelsen [CRlangsiktige rundt 90% (tabell 1)]. Imidlertid demonstrerer CRref en lavere fornedrelse ved (5 ° C, 30 ° C). Under disse forholdene (dvs.en gitt Td) betyr en høyere Tc mer fornedrelse, som demonstrert av tallene 4a og 4b. TC = 30 ° C sykling forringer cellene mer sammenlignet med Tc = 5 ° C (når Td er det samme). Dette stemmer overens med tolkningen av dataene for andre sykling forhold tidligere diskutert.

Som et sammendrag, kan det konkluderes at sykling på (5 ° C, 5 ° C), (0 ° C, 20 ° C), (5 ° C, 5 ° C), (12 ° C, -10 ° C) og (15 ° C, 20 ° C) over 100 sykluser førte til nesten uten degradering. Prøvene testet på Td = 20 ° C viste seg å være stabil (gjenoppretting i kapasitet ved + 25 ° C, Figur 4c), gjør disse prøvene egnet til sub rom temperatur søknadene. Dette kapasitet utvinning er mindre imponerende når økende Tc. Virkemåten vist av dette settet med eksempler viser at det er en stor del av reversibel fornedrelse ved lave temperaturer (kinetic komponent).

Den første betingelsen av overflaten av anode (grafitt) er vanligvis glatt (tall 6a og 6 d). Etter sykling, roughens overflaten, også observert av andre48. Endringen i morfologi er tydeligere i bumped sonen (tall6b og 6e) sammenlignet med den sentrale delen av elektroden (tall 6 c og 6f). Når forstørrelsen økes, vises hemisfæriske partikler i sonen bumped (figur 6e). Disse strukturene har en gjennomsnittlig diameter på 35 til 175 nm og har også blitt observert av andre49,50,51. I disse studiene, er de tildelt til plating detaljert metallisk Li partikler49,50 som SEI laget vokser50. En mulig forklaring denne platting kan tilordnes: (i) en viss grad av overlading som beskrevet av Lu et al. 49 (10% overlithiation) eller (ii) ikke-homogen komprimering på elektrodene som studerte ved Bach et al. 52.

Sekundær elektronet SEM viser lyse partikler distribuert i en syklet anode (figur 6i). Disse partiklene er mindre synlige i sonen bølgete (utfyllende data, figurS1) og er ikke synlige i sonen bump (figur 6 h). EDX undersøkelser identifisert disse partiklene som metallisk (se sette inn i figur 6jeg og utfyllende data i Figur S2). Det er mulig at Cu (gjeldende collector) oppløses og precipitates på elektroden (f.eksgjeldende samler korrosjon oppstår på grunn av reaktivitet med elektrolytten og når anoden potensielle er også positiv vs Li/Li+) 28. i sonen bumped spor av Cu har en konsentrasjon over bakgrunnen signalet har vært også abserved. Det er kan spekulere at for noen grunn, forholdene i sonen ikke favoriserer nedbør av Cu. Til slutt, spor Fe også blitt målt. Dette kan tilskrives oppløsningen av jern fra katoden materiale (LiFePO4), som er identifisert av andre48,53,54. LiPF6 basert elektrolytter (HF spor)55, en evaluering av syklet katoden viste ingen endringer i forhold til det ferskt materialet (supplerende materiale, Figur S3). Videre er eksperimenter i gang for å karakterisere ytterligere materiellet katoden.

Fornedrelse priser (DRs) fra tabell 1 beregnet fra CRref var plottet vs testing temperaturer (lading og utlading), da utstyrt av minste-torget metoden (2D). Figur 7 viser overflaten-montering generert, hvor punktene følger den målte DRs. Datasettet ble delt i læring og verifisering datasett for montering. En polynom funksjon var valgte (beste R2). De røde representerer forholdene med lavere DRs og blå representerer forhold med høyere DRs. Resulterende modell ligningen er:

(4)Equation 4Equation 5

Den statistiske betydningen av polynom koeffisientene, bekreftet av ANOVA, fører til et kvadratisk forhold av DR med Tc og en lineær sammenheng med Td.

Andre observasjoner som kan være nyttig hvis egnet programmer må velges: Når Tc er rundt15 ° C, DR er ikke avhengig av Td; Når Tc < 15 ° C, en høyere degradering skjer på en høyere Td; Når Tc > 15 ° C, en lavere degradering oppstår på en høyere Td; laveste DR tilsvarer (Tc =-7 ° C, Td = 20 ° C); høyeste DR tilsvarer (Tc = 30 ° C, Td = 20 ° C) eller (Tc = 20 ° C, Td = 30 ° C).

Resultatene presenteres i dette arbeidet kan være relevant for design av fremtidige standarder og bestemmelser for å representere mer realistiske scenarier. Ytterligere eksperimenter ved hjelp av andre kjemikalier er nødvendig for å kontrollere gyldigheten til disse konklusjonene for å finne en optimal rekkevidde avhengig av programmet. Ekstra arbeid vil evaluere effekten av kalenderen aldring.

Disclosures

Forfatterne Matteo Destro og Daniela Fontana er ansatte i Lithops Srl som produserer battericellene brukes i denne artikkelen. Andre forfattere ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne takker Marc Steen og Lois Brett for deres utmerket støtte gjennom dette manuskriptet.

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

Kjemi problemet 137 litium-ion batteri celler degradering elektrokjemiske evaluering miljøforhold utformingen av forsøket aldring
Effekten av lading og utlading Lithium jern fosfat-grafitt celler ved forskjellige temperaturer på degradering
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