با افزایش تعداد چرخه های شارژ و دشارژ، ظرفیت باتری همچنان رو به زوال خواهد بود. هنگامی که ظرفیت به 75٪ تا 80٪ از ظرفیت نامی کاهش می یابد، باتری لیتیوم یونی در حالت خرابی در نظر گرفته می شود. نرخ دشارژ، افزایش دمای باتری و دمای محیط تاثیر بیشتری بر ظرفیت تخلیه باتری‌های لیتیوم یونی دارند.

این مقاله معیارهای شارژ و دشارژ ولتاژ ثابت و شارژ جریان ثابت و تخلیه جریان ثابت را برای باتری اتخاذ می کند. نرخ دشارژ، افزایش دمای تخلیه باتری و دمای محیط به‌طور متوالی به‌عنوان متغیر مورد استفاده قرار می‌گیرند و آزمایش‌های چرخه‌ای به صورت کمی انجام می‌شوند، و نرخ دشارژ و دمای تخلیه باتری تحت مواد کاتدی مختلف آنالیز می‌شوند. تاثیر دما، دمای محیط و زمان چرخه بر ظرفیت تخلیه باتری‌های لیتیوم یونی

1. برنامه آزمایشی پایه باتری

مواد مثبت و منفی متفاوت هستند، و عمر چرخه بسیار متفاوت است، که بر ویژگی های ظرفیت باتری تأثیر می گذارد. فسفات آهن لیتیوم (LFP) و مواد سه تایی نیکل- کبالت- منگنز (NMC) به طور گسترده ای به عنوان مواد کاتدی برای باتری های ثانویه لیتیوم یون با مزایای منحصر به فرد خود استفاده می شود. از جدول 1 می توان دریافت که ظرفیت نامی، ولتاژ اسمی و نرخ دشارژ باتری NMC بیشتر از باتری LFP است.

باتری‌های لیتیوم یونی LFP و NMC را با توجه به قوانین خاص شارژ جریان ثابت و ولتاژ ثابت و تخلیه جریان ثابت شارژ و دشارژ کنید و ولتاژ قطع شارژ و دشارژ، نرخ دشارژ، افزایش دمای باتری، دمای آزمایشی و تغییرات ظرفیت باتری را ثبت کنید. در طول فرآیند شارژ و تخلیه وضعیت.

2. تأثیر نرخ دشارژ بر ظرفیت تخلیه دما و قوانین شارژ و دشارژ را ثابت کنید و باتری LFP و باتری NMC را با یک جریان ثابت با توجه به نرخ های دشارژ مختلف تخلیه کنید.

دما را به ترتیب: 35، 25، 10، 5، -5، -15 درجه سانتی گراد تنظیم کنید. از شکل 1 می توان دریافت که در همان دما، با افزایش نرخ دشارژ، ظرفیت تخلیه کلی باتری LFP روند کاهشی را نشان می دهد. در نرخ دشارژ یکسان، تغییرات دمای پایین تاثیر بیشتری بر ظرفیت تخلیه باتری های LFP دارد.

هنگامی که دما به زیر 0 ℃ کاهش می یابد، ظرفیت تخلیه به شدت کاهش می یابد و ظرفیت برگشت ناپذیر است. شایان ذکر است که باتری های LFP تحت تأثیر دوگانه دمای پایین و سرعت تخلیه زیاد، تضعیف ظرفیت تخلیه را تشدید می کنند. در مقایسه با باتری‌های LFP، باتری‌های NMC نسبت به دما حساس‌تر هستند و ظرفیت دشارژ آن‌ها با دمای محیط و سرعت دشارژ به طور قابل‌توجهی تغییر می‌کند.

از شکل 2 می توان دریافت که در همان دما، ظرفیت تخلیه کلی باتری NMC روندی از پوسیدگی و سپس افزایش را نشان می دهد. در نرخ تخلیه یکسان، هر چه دما کمتر باشد، ظرفیت تخلیه کمتر است.

با افزایش نرخ دشارژ، ظرفیت تخلیه باتری های لیتیوم یون همچنان کاهش می یابد. دلیل آن این است که به دلیل قطبی شدن جدی، ولتاژ تخلیه از قبل به ولتاژ قطع تخلیه کاهش می یابد، یعنی زمان تخلیه کوتاه می شود، تخلیه کافی نیست و الکترود منفی Li + سقوط نمی کند. به طور کامل تعبیه شده است. هنگامی که میزان تخلیه باتری بین 1.5 تا 3.0 باشد، ظرفیت تخلیه شروع به نشان دادن علائم بازیابی به درجات مختلف می کند. با ادامه واکنش، دمای خود باتری با افزایش نرخ دشارژ به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، ظرفیت حرکت حرارتی Li+ تقویت می‌شود و سرعت انتشار تسریع می‌شود، به طوری که سرعت جاسازی Li+ تسریع می‌شود و ظرفیت تخلیه افزایش می یابد می توان نتیجه گرفت که تأثیر دوگانه میزان دشارژ زیاد و افزایش دمای باتری خود باعث پدیده غیر یکنواخت باتری می شود.

3. تأثیر افزایش دمای باتری بر ظرفیت تخلیه. باتری های NMC به ترتیب تحت آزمایش های تخلیه 2.0، 2.5، 3.0، 3.5، 4.0، 4.5C در دمای 30 درجه سانتیگراد قرار می گیرند و منحنی رابطه بین ظرفیت تخلیه و افزایش دمای باتری لیتیوم یون در شکل 3 نشان داده شده است.

از شکل 3 می توان دریافت که در همان ظرفیت تخلیه، هر چه میزان دبی بیشتر باشد، تغییرات افزایش دما بیشتر می شود. تجزیه و تحلیل سه دوره فرآیند تخلیه جریان ثابت تحت نرخ دبی یکسان نشان می دهد که افزایش دما عمدتاً در مراحل اولیه و اواخر تخلیه است.

چهارم، تأثیر دمای محیط بر ظرفیت تخلیه بهترین دمای کار باتری های لیتیوم یون 25-40 ℃ است. از مقایسه جدول 2 و جدول 3 می توان دریافت که زمانی که دما کمتر از 5 درجه سانتیگراد باشد، دو نوع باتری به سرعت تخلیه شده و ظرفیت تخلیه به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

پس از آزمایش دمای پایین، دمای بالا بازیابی شد. در همان دما، ظرفیت تخلیه باتری LFP 137.1 میلی آمپر ساعت و باتری NMC 47.8 میلی آمپر ساعت کاهش یافت، اما افزایش دما و زمان دشارژ تغییری نکرد. مشاهده می شود که LFP پایداری حرارتی خوبی دارد و فقط در دماهای پایین تحمل ضعیفی از خود نشان می دهد و ظرفیت باتری دارای تضعیف برگشت ناپذیر است. در حالی که باتری های NMC به تغییرات دما حساس هستند.

پنجم، تأثیر تعداد چرخه‌ها بر ظرفیت دشارژ شکل 4 یک نمودار شماتیک از منحنی فروپاشی ظرفیت باتری لیتیوم یونی است و ظرفیت تخلیه در 0.8Q به عنوان نقطه شکست باتری ثبت شده است. با افزایش تعداد چرخه های شارژ و دشارژ، ظرفیت تخلیه شروع به کاهش می کند.

یک باتری 1600 میلی آمپر ساعتی LFP برای آزمایش چرخه شارژ-دشارژ در دمای 0.5 درجه سانتیگراد شارژ و دشارژ شد و در دمای 0.5 درجه سانتیگراد تخلیه شد. در مجموع 600 چرخه انجام شد و 80 درصد از ظرفیت باتری به عنوان معیار خرابی باتری استفاده شد. همانطور که در شکل 100 نشان داده شده است، از 5 به عنوان بازه زمانی برای تجزیه و تحلیل درصد خطای نسبی ظرفیت تخلیه و تضعیف ظرفیت استفاده کنید.

یک باتری 2000 میلی آمپری NMC در دمای 1.0 درجه سانتیگراد شارژ و در دمای 1.0 درجه سانتیگراد برای آزمایش چرخه شارژ-دشارژ تخلیه شد و 80 درصد از ظرفیت باتری به عنوان ظرفیت باتری در پایان عمر آن در نظر گرفته شد. 700 بار اول را در نظر بگیرید و ظرفیت تخلیه و درصد خطای نسبی کاهش ظرفیت را با 100 به عنوان بازه، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، تجزیه و تحلیل کنید.

ظرفیت باتری LFP و باتری NMC زمانی که تعداد چرخه ها 0 باشد، ظرفیت نامی است، اما معمولا ظرفیت واقعی کمتر از ظرفیت نامی است، بنابراین پس از 100 سیکل اول، ظرفیت تخلیه به طور جدی کاهش می یابد. باتری LFP دارای چرخه طولانی است، عمر تئوری 1,000 برابر است. عمر تئوری باتری NMC 300 برابر است. پس از همان تعداد چرخه، ظرفیت باتری NMC سریعتر کاهش می یابد. وقتی تعداد چرخه ها 600 باشد، ظرفیت باتری NMC نزدیک به آستانه خرابی کاهش می یابد.

6. نتیجه

از طریق آزمایش‌های شارژ و دشارژ بر روی باتری‌های لیتیوم یونی، پنج پارامتر ماده کاتد، نرخ تخلیه، افزایش دمای باتری، دمای محیط و تعداد چرخه به‌عنوان متغیر مورد استفاده قرار می‌گیرند و رابطه بین ویژگی‌های مرتبط با ظرفیت و عوامل تأثیرگذار مختلف تحلیل می‌شود. و در نتیجه موارد زیر بدست می آید:

(1) در محدوده دمای نامی باتری، دمای بالا مناسب باعث ترمیم و جاسازی Li+ می شود. به خصوص برای ظرفیت تخلیه، هر چه میزان دشارژ بیشتر باشد، نرخ تولید گرما بیشتر است و واکنش الکتروشیمیایی داخل باتری لیتیوم یون آشکارتر است.

(2) باتری LFP سازگاری خوبی با دمای بالا و نرخ تخلیه در هنگام شارژ و تخلیه نشان می دهد. تحمل ضعیفی نسبت به دمای پایین دارد، ظرفیت تخلیه به شدت کاهش می یابد و پس از گرم شدن قابل بازیابی نیست.

(3) تحت تعداد سیکل های شارژ و دشارژ یکسان، باتری LFP دارای چرخه طولانی است و ظرفیت باتری NMC تا 80 درصد ظرفیت نامی سریعتر کاهش می یابد. (4) در مقایسه با باتری LFP، ظرفیت تخلیه باتری NMC به دما حساس تر است و در نرخ تخلیه زیاد، ظرفیت تخلیه یکنواخت نیست و افزایش دما به طور قابل توجهی تغییر می کند.