1 Experiment
1.1 Batteriförberedelse
Blanda den positiva elektroden DY{{0}} litiumjärnfosfat, ledande medel Super P och bindemedel PVDF5130 i ett massförhållande av 94,0:2,5:3,5, tillsätt lösningsmedel NMP och rör om i 5 timmar för att erhålla en uppslamning med en fast substanshalt av (60,0 ± 1,5) % och en viskositet av 8000 mPa · s. Belägg slammet på en 16 μm tjock aluminiumfolie med en ytdensitet på (330 ± 3) g/m2. Efter vakuumbakning vid 85 grader i 12 timmar, rullpressa elektroden till en komprimerad densitet på 2,20 g/cm3 och få en positiv elektrod med en storlek på 124 mm × 121 mm.
Blanda den negativa grafiten, ledande kimrök Super P och LA133 akrylnitril i ett massförhållande av 95,5:1.0:3,5, förbered en slurry med avjoniserat vatten som lösningsmedel och belägg den på en 8 μm tjock kopparfolie med en ytdensitet på (160 ± 2) g/m2. Torka och rullpressa den som den positiva elektroden för att uppnå en komprimerad densitet på 1,45 g/cm3, och få ett negativt elektrodark med en storlek på 130 mm × 127 mm.
Efter att ha staplat de positiva och negativa elektroderna förbereddes 36130145 aluminiumhöljet LFP litiumjon fullbatteri med en nominell kapacitet på 60Ah genom att kapsla in dem med ett täckande aluminiumskal. Efter gräddning vid 85 grader i 12 timmar injicerades elektrolyten. Det förberedda batteriet genomgår kemisk omvandling och kapacitetsuppdelning. Formationssteg: Ladda vid 0.05C i 80 minuter, ladda sedan vid 0.10C i 150 minuter, med en maximal laddningsspänning på 3.65V. Steg för kapacitetsdelning: Lämna den vid 45 grader i 12 timmar för åldring, ladda ur den sedan vid 0,20C med en nedre gränsspänning på 2,50V.
1.2 Morfologi och strukturanalys
Observera materialets mikrostruktur med hjälp av ett svepelektronmikroskop. Använd röntgendiffraktometer för att analysera de strukturella förändringarna av material.
1.3 Elektrokemisk prestandatestning
Testa batteriets EIS med hjälp av en elektrokemisk arbetsstation. Använd en batteritestare med hög precision för att testa batteriets prestanda, med en räckvidd på 5V och 100~50{{10}}A. Konventionell kapacitetstestmetod: Ladda med en konstant ström på 1,00C till 3,65V, växla sedan till en konstant spänning och ladda tills 0,05C uppnås; Låt det sitta i 0,5 timmar, ladda ur vid 1,00C till 2,50V, låt det sitta i 0,5 timmar, cykla 3 gånger.
Testmetod för battericykel: Ladda med en konstant ström på 1,00C till 3,65V, växla sedan till konstant spänningsladdning tills 0.05C bryts. Urladdning vid 1.00C, 2.{{10}}C respektive 5.00C till 2,50V, upprepa cykeln, låt den sitta i {{30}}.5 timmar i mitten, tills den har cyklats 1000 gånger. Testmetod för överurladdning av batteri: Referensladdningsurladdningshastigheten är 1.00C för laddning och 1.00C för urladdning, och överurladdningsspänningarna är 0-3.65V, 0.20-3.65V, 0.50-3.65V, 0.80-3.65V och 1.50-3.65V, respektive. Den konventionella spänningen är 2,50~3,65V. En fixtur används för att applicera en föråtdragningskraft på (1400 ± 200) N på battericellens plan; Ingen fixtur innebär att man applicerar en förspänningskraft på 0N på battericellen.
Testmetod för batterihållbarhet: ① Ladda vid 0.50C konstant ström till 3.65V, byt till konstant spänningsladdning till 0.05C cut-off , låt den sitta i 0.5h, urladdning vid 78{{20}}W till 2.50V, rekordkapacitet 1; ② Ställ åt sidan för 0.5 timmar, ladda 3.65V vid 0.50C konstant ström, byt till konstant spänningsladdning tills 0.05C avstängning, sätt åt sidan i 0,5 timmar, ladda ur till angiven spänning (1,50V, 0,80V, 0,50V) vid 780W, avsätt för specificerad tid, ladda 3,65V vid 0,10C konstant ström, byt till konstantspänningsladdning tills 0,05C cut-off, sätt åt sidan i 0,5 timmar och ladda ur till 2,50V vid 780W, registrera urladdningskapaciteten 2; ③ Upprepa steg 1, registrera tömningskapaciteten 3 och upprepa steg 1 till 3. Bland dem är förhållandet mellan kapacitet 2 och kapacitet 1 retentionsgraden och förhållandet mellan kapacitet 3 och kapacitet 1 är återvinningsgraden.
2 Resultat och diskussion
2.1 Cykelprestanda vid olika förstoringar
Experimentet utfördes på basis av ett batteri som användes i datacentret, och batteriets hastighetscykelprestanda visas i figur 1. Från figuren kan man se att med samma laddningshastighet, efter 2{{3 }}0 urladdningscykler vid 2.00C och 5.00C, kapaciteten minskar med 14 % respektive 20 %. Jämfört med 1,00C urladdningscykeln minskar kapaciteten med 12 %, vilket är 2 respektive 8 procentenheter lägre. Ur perspektivet av cykelprestanda har batterier kännetecknet för långhastighetscykling.
2.2 Egenskaper för överurladdningscykelprestanda i olika spänningsområden
För att studera överurladdningsegenskaperna hos batterier med aluminiumskal i olika spänningsområden, genomfördes kontinuerliga cykeltester på batterierna, med variabler som var spänningsområdet och batteriets tillstånd under cykling: med eller utan fixturer. Numrera batterierna separat och se tabell 1 för byten och initialtillstånd för batterierna. Batteriernas laddningstillstånd (SOC) är 30 %. Från den initiala spänningen, inre resistansen och tjockleken för de 12 batterigrupperna som anges i Tabell 1 vid 30 % SOC, är konsistensen hos experimentbatterierna god.
Utför kontinuerliga cykliska tester på batteriet, och dämpningskurvan visas i figuren nedan. Det kan ses att när batteriet inte har någon fixtur, försämras batteriets cykelprestanda gradvis när graden av överurladdning ökar. När batteriets urladdningsavbrottsspänning är 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V och 0V, antalet cykler och batteriets kapacitetsretention är 94,07 % efter 1000 cykler, 80,00 % efter 1000 cykler, 74,93% efter 648 cykler, 67,72% efter 360 cykler, 63,26% efter 119 cykler respektive 61,85% efter 145 cykler.
När den nedre gränsspänningen minskar med 1,00V (från 2,50V till 1,50V), ökar dämpningshastigheten med 14 % under samma antal cykler; När den nedre gränsspänningen minskar med 1,70V (från 2,50V till 0,80V), är cykellivslängden endast 648 gånger; Och när batteriet laddas ur till 0V sjunker cykellivslängden till 145 gånger. Minskningen av den nedre gränsspänningen för urladdning har en betydande inverkan på batteriets livslängd. Att utöka batteriets laddnings- och urladdningsspänningsområde kan öka dess kapacitet, till exempel när spänningen ändras från 2,50~3,65V till 0~3,65V. Batterikapaciteten har ökat med 4Ah.
Även med fixturer uppvisar batterier samma prestandamönster som utan fixturer. Ju lägre urladdningsspänning batteriet har, desto kortare livslängd. Vid urladdningsavstängningsspänningar på 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V och 0V, antalet cykler och batteriets retentionsgrad är 96,03 % efter 1 000 cykler, 86,73 % efter 928 cykler, 84,46 % efter 733 cykler, 81,95 % efter 741 cykler, 61,28 % efter 598 cykler respektive 60,08 % efter 647 cykler.
2.3 Karakteristika för överurladdningscykelprestanda under olika förspänningskrafter
Ju djupare graden av överurladdning av batteriet med eller utan förspänningskraft, desto sämre livslängd. Utforska ytterligare effekten av närvaron eller frånvaron av fixturer på batteriets prestanda. Genom att analysera data, jämför den cykliska prestandan för batterier med och utan fixturer under samma driftsförhållanden.
Oavsett batteriets faktiska cykelspänningsområde är cykelprestandan för batterier med fixturer överlägsen de utan fixturer. Men när den nedre gränsen för urladdningsspänningen fortsätter att öka, minskar effekten av armaturer på batteriets prestanda gradvis. Mellan {{0}}~3,65V är batteritiden med fixturer 647 gånger, medan batteritiden utan fixturer är 145 gånger, en skillnad på 502 gånger; Vid 0.20-3.65V är batteritiden med fixturer 598 gånger, medan batteritiden utan fixturer är 119 gånger, en skillnad på 479 gånger; Vid 0.50-3.65V är kapacitetsretentionsgraden för batteriet utan fixturer 67,72 % efter 360 cykler, medan kapacitetsretentionsgraden för batteriet med fixturer är 90.00%; Vid 0.80-3.65V är kapacitetsretentionsgraden för batteriet utan fixturer 80,00% efter 500 cykler, medan kapacitetsretentionsgraden för batteriet med fixturer är 92.00 %; Vid 1.50-3.65V var kapacitetsretentionsgraden för batteriet utan fixturer 84,55 % efter 928 cykler, medan kapacitetsretentionsgraden för batteriet med fixturer var 86,73 %, en ökning med 2,18 procentenheter i kapacitetsbevarande; Vid 2.50-3.65V är kapacitetsretentionsgraden för batteriet utan fixturer 94,07 % efter 1000 cykler, medan kapacitetsretentionsgraden för batteriet med fixturer är 96,03 %.
När den nedre gränsen för urladdningsspänning ökar, försvagas gradvis inflytandet av fixturer på battericykelprestanda, vilket manifesteras som ett minskande gap i kapacitetsbevarande mellan batterier med och utan fixturer. Detta indikerar att fixturernas förbättrade effekt på battericykelprestanda är försvagad i högre spänningsområden.
EIS-testning utfördes på batterierna (grupp A, B, C, F, etc.) med och utan fixturer i de senare stadierna av cykling för några av schemana, och resultaten visas i figur 3. Startpunkten för impedansspektrumhalvcirkeln är gränssnittsimpedansen Rb mellan elektroden och elektrolytgränsytan; Slutpunkten för halvcirkeln är laddningsöverföringsimpedansen Rct; Den diagonala linjen representerar impedansen som orsakas av diffusionen av Li+ inuti de aktiva materialpartiklarna, vilket är Warburg-impedansen (Dw). Från Rb och Rct: A-1
Detta bekräftar också att externt tryck kan minska elektrodgränssnittsgap och öka gränssnittskontaktarean. Under lägre tryck kommer batteriet att komprimeras och dess tjocklek minskar, vilket kan minska kontaktmotståndet, förkorta Li+-överföringsvägen och minimera förlusten av aktivt litium; Dessutom kan det förhindra lossning av positiva och negativa elektrodmaterial orsakade av gasproduktion under lågspänningsurladdning, minska den irreversibla expansionen av batteriet, upprätthålla stabiliteten hos de positiva och negativa elektroderna och förbättra batteriets cykelprestanda. Ju lägre urladdnings nedre gränsspänning, desto djupare blir litiumextraktionen av det negativa elektrodmaterialet, och desto svårare blir gasproduktionen av batteriet. Närvaron av fixturer kan effektivt undertrycka förlusten av Li+aktivitet som orsakas av gasproduktion, och därigenom förbättra batteriets cyklingsprestanda. Detta förklarar också varför när urladdningsspänningen gradvis ökar, blir skillnaden i antal cykler mellan batterier med och utan fixturer mindre och mindre.
För att ytterligare observera förändringarna i batteriets cykling vid olika spänningar, togs batteriet isär och förändringarna i positiva och negativa elektrodmaterial observerades
Ur ett morfologiskt perspektiv finns det ingen signifikant skillnad mellan de positiva och negativa elektrodmaterialen efter överurladdningscykler. Den negativa elektroden visas som ett block, medan den positiva elektroden visas som små partiklar. Närvaron eller frånvaron av fixturer har ingen effekt på morfologin hos de positiva och negativa elektrodmaterialen. Under den kontinuerliga grunda laddningen och djupurladdningsprocessen kan enhetscellparametrarna för materialet ändras, särskilt för negativa elektrodmaterial, vilket kan resultera i förändringar i avståndet mellan skikten.
XRD-analys utfördes på den negativa elektroden, och resultaten visas i figuren. Från figuren kan man se att även om batteriet cyklas i olika spänningsområden är det negativa elektrodmaterialet efter cykling fortfarande grafit och inga andra nya ämnen produceras. Inom samma spänningsområde skiftar de karakteristiska topparna för de negativa elektrodplattorna (002) och (100) hos det klämfria batteriet mot lägre vinklar, vilket indikerar att grafitens gitterparametrar ökar och det interplanära avståndet ökar.
Detta betyder att jämfört med batterier med fixturer, fortsätter grafitmellanskiktet för icke fixturbatterier att öka under den kontinuerliga laddnings- och urladdningsprocessen. De mikroskopiska förändringarna i detta material resulterar i en kraftigare försämring av cykelprestanda och förklarar också varför cykelprestandan för batterier med fixturer är betydligt bättre än för batterier utan fixturer i samma spänningsområde.
2.4 Karakteristika för kalenderlivslängdsförändringar efter överladdning av batteriet
För att ytterligare observera batteriets kapacitetsförändringar efter långvarig överurladdning, kapacitetsbevarande och återhämtning av batteriet efter urladdning till den specificerade spänningen på 0.50V, 0.80V, 1.50 V och 2,50V under en viss tidsperiod studerades.
Även om batteriet lagras vid låg spänning kommer det inte att ske någon kapacitetsförsämring, vilket inte har någon betydande inverkan på kapaciteten och inte orsakar kapacitetsförlust på grund av överurladdning. Ur ett metodiskt perspektiv, efter att batteriet har blivit överurladdat, kan det lämnas en tid och laddas upp med en liten ström för att återställa och bibehålla dess kapacitet.
3 Slutsats
Baserat på studien av egenskaperna hos litiumjonbatterier som används i datacenter, undersöktes inverkan av olika förspänningskrafter på överurladdning. Resultaten visade att:
Genom att applicera två typer av föråtdragningskrafter på batteriet med och utan klämmor, cykla i sex spänningsområden på {{0}}~3.65V, 0.20~3.65V , 0,50~3,65V, 0,80~3,65V, 1,50~3,65V och det konventionella utbudet av 2,50~3,65V, oavsett om det finns en klämma, ju lägre urladdningsavstängningsspänningen på batteriet är, desto snabbare avtar kapaciteten. I praktiska tillämpningar bör långvariga lågspänningscykler undvikas så mycket som möjligt för att förlänga batteriets livslängd.
Fixturer kan förbättra batteriernas cyklingsprestanda, men deras effekt försvagas när urladdningsgränsspänningen ökar. Resultaten av EIS, XRD och andra tester visar att fixturen kan säkerställa stabiliteten hos de positiva och negativa elektrodaktiva materialen under cykling, minska elektrodgränssnittsgap, öka kontaktyta, lägre ohmsk resistans, förkorta Li+transportbanan, minska aktivt litium förlust, minska den oåterkalleliga expansionen av batteriet och förbättra batteriets prestanda. De experimentella resultaten har vägledande betydelse för batterienhetsdesign, och det rekommenderas att framtida forskare överväger tight monteringsdesign för att förbättra batteriets prestanda.
Efter långtidslagring i olika överurladdningsspänningsområden, kommer batterikapaciteten inte att minska med minskningen av urladdningsavstängningsspänningen. Liten strömpåfyllning kan bibehålla och återställa kapaciteten. Detta ger en lösning på problemet med minskad batteriprestanda efter långtidsförvaring.