ככל שמספר מחזורי הטעינה והפריקה יגדל, קיבולת הסוללה תמשיך להתפוגג. כאשר הקיבולת יורדת ל-75% עד 80% מהקיבולת המדורגת, סוללת הליתיום-יון נחשבת במצב כשל. לקצב פריקה, עליית טמפרטורת הסוללה וטמפרטורת הסביבה יש השפעה רבה יותר על יכולת הפריקה של סוללות ליתיום-יון.

מאמר זה מאמץ את קריטריוני הטעינה והפריקה של מתח קבוע וטעינת זרם קבוע ופריקת זרם קבוע עבור הסוללה. קצב הפריקה, עליית טמפרטורת פריקת הסוללה וטמפרטורת הסביבה משמשים ברצף כמשתנים וניסויים מחזוריים מבוצעים באופן כמותי, וקצב הפריקה וטמפרטורת פריקת הסוללה מנותחים תחת חומרים קתודיים שונים. השפעת הטמפרטורה, טמפרטורת הסביבה וזמני המחזור על יכולת הפריקה של סוללות ליתיום-יון.

1. תוכנית הניסוי הבסיסית של הסוללה

החומרים החיוביים והשליליים שונים, וחיי המחזור משתנים מאוד, מה שמשפיע על מאפייני הקיבולת של הסוללה. ליתיום ברזל פוספט (LFP) וחומרים טרינריים ניקל-קובלט-מנגן (NMC) נמצאים בשימוש נרחב כחומרי קתודה לסוללות ליתיום-יון משניות עם היתרונות הייחודיים שלהם. ניתן לראות מטבלה 1 שהקיבולת הנקובת, המתח הנומינלי וקצב הפריקה של סוללת NMC גבוהים מאלה של סוללת LFP.

טעינה ופריקה של סוללות ליתיום-יון מסוג LFP ו-NMC בהתאם לכללי טעינה מסוימים של זרם קבוע ומתח קבוע ופריקה זרם קבוע, ותעד את מתח ניתוק הטעינה והפריקה, קצב הפריקה, עליית טמפרטורת הסוללה, הטמפרטורה הניסיונית ושינויי קיבולת הסוללה. במהלך תהליך הטעינה והפריקה מצב.

2. השפעת קצב הפריקה על קיבולת הפריקה תקן את הטמפרטורה ואת כללי הטעינה והפריקה, ופרוק את סוללת LFP וסוללת NMC בזרם קבוע לפי קצבי פריקה שונים.

התאם את הטמפרטורה בהתאמה: 35, 25, 10, 5, -5, -15 מעלות צלזיוס. ניתן לראות באיור 1 שבאותה טמפרטורה, על ידי הגדלת קצב הפריקה, קיבולת הפריקה הכוללת של סוללת LFP מראה מגמת ירידה. תחת אותו קצב פריקה, לשינויים בטמפרטורה נמוכה יש השפעה רבה יותר על יכולת הפריקה של סוללות LFP.

כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת ל-0 ℃, יכולת הפריקה יורדת בצורה חמורה והקיבולת היא בלתי הפיכה. ראוי לציין שסוללות LFP מחמירות את הנחתה של יכולת הפריקה תחת השפעה כפולה של טמפרטורה נמוכה וקצב פריקה גדול. בהשוואה לסוללות LFP, סוללות NMC רגישות יותר לטמפרטורה, ויכולת הפריקה שלהן משתנה באופן משמעותי עם טמפרטורת הסביבה וקצב הפריקה.

ניתן לראות באיור 2 שבאותה טמפרטורה, יכולת הפריקה הכוללת של סוללת ה-NMC מראה מגמה של דעיכה תחילה ולאחר מכן עלייה. תחת אותו קצב פריקה, ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, כושר הפריקה נמוך יותר.

עם העלייה בקצב הפריקה, יכולת הפריקה של סוללות ליתיום-יון ממשיכה לרדת. הסיבה היא שבשל הקיטוב הרציני, מתח הפריקה מופחת מראש למתח ניתוק הפריקה, כלומר זמן הפריקה מתקצר, הפריקה לא מספקת והאלקטרודה השלילית Li+ לא נופלת. מוטבע לחלוטין. כאשר קצב פריקת הסוללה הוא בין 1.5 ל-3.0, כושר הפריקה מתחיל להראות סימני התאוששות בדרגות שונות. ככל שהתגובה נמשכת, טמפרטורת הסוללה עצמה תגדל באופן משמעותי עם עליית קצב הפריקה, יכולת התנועה התרמית של Li+ מתחזקת, ומהירות הדיפוזיה מואצת, כך שמהירות ההטמעה של Li+ מואצת. יכולת הפריקה עולה. ניתן להסיק שההשפעה הכפולה של קצב הפריקה הגדול ועליית הטמפרטורה של הסוללה עצמה גורמת לתופעה הלא מונוטונית של הסוללה.

3. השפעת עליית טמפרטורת הסוללה על קיבולת הפריקה. סוללות NMC נתונות בהתאמה לניסויי פריקה של 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5C ב-30℃, ועקומת הקשר בין קיבולת הפריקה לעליית הטמפרטורה של סוללת הליתיום-יון מוצגת באיור 3. מוצג.

ניתן לראות באיור 3 שתחת אותה יכולת פריקה, ככל שקצב הפריקה גבוה יותר, כך משתנה עליית הטמפרטורה משמעותית יותר. ניתוח שלושת התקופות של תהליך פריקת הזרם הקבוע באותו קצב פריקה מראה שעליית הטמפרטורה היא בעיקר בשלב הראשוני והמאוחר של הפריקה.

רביעית, השפעת טמפרטורת הסביבה על קיבולת הפריקה טמפרטורת הפעולה הטובה ביותר של סוללות ליתיום-יון היא 25-40 ℃. מהשוואה של טבלה 2 וטבלה 3, ניתן לראות שכאשר הטמפרטורה נמוכה מ-5°C, שני סוגי הסוללות מתרוקנים במהירות וכושר הפריקה פוחת משמעותית.

לאחר ניסוי הטמפרטורה הנמוכה, הטמפרטורה הגבוהה שוחזרה. באותה טמפרטורה, קיבולת הפריקה של סוללת LFP ירדה ב-137.1mAh, וסוללת NMC ירדה ב-47.8mAh, אך זמן עליית הטמפרטורה וזמן הפריקה לא השתנו. ניתן לראות של-LFP יש יציבות תרמית טובה ומפגין סובלנות ירודה רק בטמפרטורות נמוכות, ולקיבולת הסוללה יש הנחתה בלתי הפיכה; בעוד שסוללות NMC רגישות לשינויי טמפרטורה.

חמישית, השפעת מספר המחזורים על קיבולת הפריקה איור 4 היא דיאגרמה סכמטית של עקומת דעיכת הקיבולת של סוללת ליתיום-יון, ויכולת הפריקה ב-0.8Q נרשמת כנקודת הכשל של הסוללה. ככל שמספר מחזורי הטעינה והפריקה גדל, יכולת הפריקה מתחילה להראות ירידה.

סוללת LFP של 1600mAh נטענה ונפרקה ב-0.5C ופרוקה ב-0.5C עבור ניסוי מחזור טעינה-פריקה. בסך הכל בוצעו 600 מחזורים, ו-80% מקיבולת הסוללה שימשה כקריטריון כשל הסוללה. השתמש ב-100 בתור זמני המרווחים כדי לנתח את אחוז השגיאה היחסי של קיבולת הפריקה והנחת הקיבולת, כפי שמוצג באיור 5.

סוללת NMC של 2000mAh נטענה ב-1.0C ונפרקה ב-1.0C לצורך ניסוי במחזור טעינה-פריקה, ו-80% מקיבולת הסוללה נלקחה כקיבולת הסוללה בסוף חייה. קח את 700 הפעמים הראשונות ונתח את יכולת הפריקה ואת אחוז השגיאה היחסי של הנחתת הקיבולת עם 100 כמרווח, כפי שמוצג באיור 6.

הקיבולת של סוללת LFP וסוללת NMC כאשר מספר המחזורים הוא 0 היא הקיבולת המדורגת, אך בדרך כלל הקיבולת בפועל קטנה מהקיבולת המדורגת, כך שלאחר 100 המחזורים הראשונים, קיבולת הפריקה יורדת ברצינות. לסוללת LFP יש חיי מחזור ארוכים, החיים התיאורטיים הם פי 1,000; אורך החיים התיאורטי של סוללת NMC הוא פי 300. לאחר אותו מספר של מחזורים, קיבולת הסוללה של NMC דועכת מהר יותר; כאשר מספר המחזורים הוא 600, קיבולת הסוללה של NMC דועכת קרוב לסף הכשל.

6. סיכום

באמצעות ניסויי טעינה ופריקה על סוללות ליתיום-יון, חמשת הפרמטרים של חומר קתודה, קצב פריקה, עליית טמפרטורת הסוללה, טמפרטורת הסביבה ומספר המחזור משמשים כמשתנים, והקשר בין מאפיינים הקשורים לקיבולת וגורמים משפיעים שונים מנותח. והבאים מתקבלים לסיכום:

(1) בתוך טווח הטמפרטורות המדורג של הסוללה, טמפרטורה גבוהה מתאימה מקדמת את דה-אינטרקלציה והטמעה של Li+. במיוחד עבור כושר הפריקה, ככל שקצב הפריקה גדול יותר, קצב יצירת החום גדול יותר והתגובה האלקטרוכימית בתוך סוללת הליתיום-יון ברורה יותר.

(2) סוללת LFP מראה יכולת הסתגלות טובה לטמפרטורה גבוהה ולקצב פריקה במהלך טעינה ופריקה; יש לו סבילות ירודה לטמפרטורה נמוכה, יכולת הפריקה יורדת בצורה חמורה, ולא ניתן לשחזר אותה לאחר חימום.

(3) תחת אותו מספר של מחזורי טעינה ופריקה, לסוללת LFP יש חיי מחזור ארוכים, וקיבולת סוללת NMC דועכת ל-80% מהקיבולת המדורגת מהר יותר. (4) בהשוואה לסוללת LFP, יכולת הפריקה של סוללת NMC רגישה יותר לטמפרטורה, ובקצב פריקה גדול, כושר הפריקה אינו מונוטוני ועליית הטמפרטורה משתנה באופן משמעותי.