1 Eksperimen
1.1 Penyediaan bateri
Campurkan elektrod positif DY{{0}} litium besi fosfat, agen pengalir Super P dan pengikat PVDF5130 dalam nisbah jisim 94.0:2.5:3.5, tambah pelarut NMP dan kacau selama 5 jam untuk mendapatkan buburan dengan kandungan pepejal (60.0 ± 1.5)% dan kelikatan 8000mPa · s. Salutkan buburan pada kerajang aluminium setebal 16 μm dengan ketumpatan permukaan (330 ± 3) g/m2. Selepas vakum membakar pada 85 darjah selama 12 jam, gulung tekan elektrod kepada ketumpatan padat 2.20g/cm3, dan dapatkan elektrod positif dengan saiz 124mm × 121mm.
Campurkan grafit negatif, Super P karbon hitam pengalir dan akrilonitril LA133 dalam nisbah jisim 95.5:1.0:3.5, sediakan buburan menggunakan air ternyahion sebagai pelarut dan salutkannya pada tebal 8 μm. kerajang kuprum dengan ketumpatan permukaan (160 ± 2) g/m2. Keringkan dan gulung tekan seperti elektrod positif untuk mencapai ketumpatan padat 1.45 g/cm3, dan dapatkan kepingan elektrod negatif dengan saiz 130mm × 127mm.
Selepas menyusun elektrod positif dan negatif, bateri penuh litium-ion LFP shell aluminium 36130145 dengan kapasiti berkadar 60Ah telah disediakan dengan membungkusnya dengan cangkang aluminium penutup. Selepas membakar pada 85 darjah selama 12 jam, elektrolit disuntik. Bateri yang disediakan mengalami transformasi kimia dan pembahagian kapasiti. Langkah pembentukan: Cas pada 0.05C selama 80min, kemudian cas pada 0.10C selama 150min, dengan voltan pengecasan maksimum 3.65V. Langkah pembahagian kapasiti: Biarkan pada 45 darjah selama 12 jam untuk penuaan, kemudian nyahcas pada 0.20C dengan voltan had bawah 2.50V.
1.2 Analisis Morfologi dan Struktur
Perhatikan struktur mikro bahan menggunakan mikroskop elektron pengimbasan. Gunakan difraktometer sinar-X untuk menganalisis perubahan struktur bahan.
1.3 Ujian Prestasi Elektrokimia
Uji EIS bateri menggunakan stesen kerja elektrokimia. Gunakan penguji bateri berketepatan tinggi untuk menguji prestasi bateri, dengan julat 5V dan 100~50{{10}}A. Kaedah ujian kapasiti konvensional: Cas dengan arus malar 1.00C hingga 3.65V, kemudian tukar kepada voltan malar dan cas sehingga 0.05C dicapai; Biarkan selama 0.5 jam, nyahcas pada 1.00C hingga 2.50V, biarkan selama 0.5 jam, kitaran 3 kali.
Kaedah ujian kitaran bateri: Cas pada arus malar 1.00C hingga 3.65V, kemudian tukar kepada pengecasan voltan malar sehingga 0.0Pemotongan 5C. Nyahcas pada 1.00C, 2.{{10}}C, dan 5.00C masing-masing kepada 2.50V, ulangi kitaran, biarkan duduk selama {{30}}.5 jam di tengah-tengah, sehingga ia dikitar 1000 kali. Kaedah ujian lebihan nyahcas bateri: Kadar nyahcas cas rujukan ialah 1.00C untuk pengecasan dan 1.00C untuk nyahcas, dan voltan nyahcas berlebihan ialah 0-3.65V, 0.20-3.65V, 0.50-3.65V, 0.80-3.65V, dan 1.50-3.65V, masing-masing. Voltan konvensional ialah 2.50~3.65V. Lekapan digunakan untuk menggunakan daya pra mengetatkan (1400 ± 200) N pada satah sel bateri; Tiada lekapan bermakna mengenakan daya pramuat 0N pada sel bateri.
Kaedah ujian jangka hayat bateri: ① Cas pada 0.50Arus malar C kepada 3.65V, tukar kepada pengecasan voltan malar kepada 0.0Potongan 5C , biarkan selama 0.5j, nyahcas pada 78{{20}}W hingga 2.50V, rekod kapasiti 1; ② Ketepikan selama 0.5 jam, cas 3.65V pada 0.50C arus malar, tukar kepada pengecasan voltan malar sehingga 0.05C potong, ketepikan selama 0.5 jam, nyahcas ke voltan yang ditentukan (1.50V, 0.80V, 0.50V) pada 780W, ketepikan untuk yang ditentukan masa, cas 3.65V pada arus malar 0.10C, tukar kepada pengecasan voltan malar sehingga pemotongan 0.05C, ketepikan selama 0.5 jam, dan nyahcas kepada 2.50V pada 780W, rekod kapasiti nyahcas 2; ③ Ulang langkah 1, rekod kapasiti nyahcas 3, dan ulangi langkah 1 hingga 3. Antaranya, nisbah kapasiti 2 kepada kapasiti 1 ialah kadar pengekalan, dan nisbah kapasiti 3 kepada kapasiti 1 ialah kadar pemulihan.
2 Keputusan dan Perbincangan
2.1 Prestasi kitaran pada pembesaran yang berbeza
Percubaan dijalankan berdasarkan bateri yang digunakan di pusat data dan prestasi kitaran kadar bateri ditunjukkan dalam Rajah 1. Daripada rajah, dapat dilihat bahawa dengan kadar pengecasan yang sama, selepas 2{{3 }}0 kitaran nyahcas pada 2.00C dan 5.00C, kapasiti berkurangan sebanyak 14% dan 20%, masing-masing. Berbanding dengan kitaran nyahcas 1.00C, kapasiti berkurangan sebanyak 12%, iaitu masing-masing 2 dan 8 mata peratusan lebih rendah. Dari perspektif prestasi berbasikal, bateri mempunyai ciri berbasikal kadar panjang.
2.2 Ciri-ciri prestasi kitaran nyahcas lebih dalam julat voltan yang berbeza
Untuk mengkaji ciri-ciri lebihan nyahcas bateri cangkang aluminium dalam julat voltan yang berbeza, ujian berbasikal berterusan telah dijalankan pada bateri, dengan pembolehubah ialah julat voltan dan keadaan bateri semasa berbasikal: dengan atau tanpa lekapan. Nomborkan bateri secara berasingan, dan rujuk Jadual 1 untuk perubahan dan keadaan awal bateri. Keadaan pengecasan (SOC) bateri ialah 30%. Daripada voltan awal, rintangan dalaman, dan ketebalan 12 kumpulan bateri yang disenaraikan dalam Jadual 1 pada 30% SOC, ketekalan bateri eksperimen adalah baik.
Lakukan ujian kitaran berterusan pada bateri, dan lengkung pengecilan ditunjukkan dalam rajah di bawah. Ia boleh dilihat bahawa apabila bateri tidak mempunyai lekapan, prestasi berbasikal bateri secara beransur-ansur merosot apabila tahap lebihan nyahcas meningkat. Apabila voltan pemotongan nyahcas bateri ialah 2.50V, 1.50V, 0.80V, 0.50V, 0.20V dan 0V, bilangan kitaran dan pengekalan kapasiti bateri ialah 94.07% selepas 1000 kitaran, 80.00% selepas 1000 kitaran, 74.93% selepas 648 kitaran, 67.72% selepas 360 kitaran, 63.26% selepas 119 kitaran, dan 61.85% selepas 145 kitaran, masing-masing.
Apabila voltan had bawah berkurangan sebanyak 1.00V (daripada 2.50V kepada 1.50V), kadar pengecilan meningkat sebanyak 14% di bawah bilangan kitaran yang sama; Apabila voltan had bawah berkurangan sebanyak 1.70V (daripada 2.50V kepada 0.80V), hayat kitaran hanya 648 kali; Dan apabila bateri dinyahcas kepada 0V, hayat kitaran menurun kepada 145 kali. Penurunan voltan nyahcas had bawah mempunyai kesan yang ketara ke atas hayat kitaran bateri. Memperluas julat voltan pengecasan dan nyahcas bateri boleh meningkatkan kapasitinya, seperti apabila voltan berubah daripada 2.50~3.65V kepada 0~3.65V. Kapasiti bateri telah meningkat sebanyak 4Ah.
Walaupun dengan lekapan, bateri mempamerkan corak prestasi yang sama seperti tanpa lekapan. Semakin rendah voltan nyahcas bateri, semakin pendek hayat kitaran. Pada voltan pemotongan nyahcas 2.50V, 1.50V, 0.80V, 0.50V, 0.20V dan 0V, bilangan kitaran dan kadar pengekalan bateri ialah 96.03% selepas 1000 kitaran, 86.73% selepas 928 kitaran, 84.46% selepas 733 kitaran, 81.95% selepas 741 kitaran, 61.28% selepas 598 kitaran, dan 60.08% selepas 647 kitaran, masing-masing.
2.3 Ciri-ciri prestasi kitaran nyahcas berlebihan di bawah daya pramuat yang berbeza
Semakin dalam tahap pelepasan berlebihan bateri dengan atau tanpa daya pengetatan pra, semakin miskin hayat kitaran. Terokai lebih lanjut kesan kehadiran atau ketiadaan lekapan pada prestasi bateri. Dengan menganalisis data, bandingkan prestasi kitaran bateri dengan dan tanpa lekapan di bawah keadaan operasi yang sama.
Tidak kira julat voltan berbasikal sebenar bateri, prestasi berbasikal bateri dengan lekapan adalah lebih baik daripada yang tanpa lekapan. Walau bagaimanapun, apabila had bawah voltan nyahcas terus meningkat, kesan lekapan pada prestasi berbasikal bateri berkurangan secara beransur-ansur. Antara {{0}}~3.65V, hayat bateri dengan lekapan ialah 647 kali, manakala hayat bateri tanpa lekapan ialah 145 kali, perbezaan 502 kali; Pada 0.20-3.65V, hayat bateri dengan lekapan ialah 598 kali, manakala hayat bateri tanpa lekapan ialah 119 kali, perbezaan 479 kali; Pada 0.50-3.65V, kadar pengekalan kapasiti bateri tanpa lekapan ialah 67.72% selepas 360 kitaran, manakala kadar pengekalan kapasiti bateri dengan lekapan ialah 90.00%; Pada 0.80-3.65V, kadar pengekalan kapasiti bateri tanpa lekapan ialah 80.00% selepas 500 kitaran, manakala kadar pengekalan kapasiti bateri dengan lekapan ialah 92.00 %; Pada 1.50-3.65V, kadar pengekalan kapasiti bateri tanpa lekapan ialah 84.55% selepas 928 kitaran, manakala kadar pengekalan kapasiti bateri dengan lekapan ialah 86.73%, peningkatan sebanyak 2.18 mata peratusan dalam pengekalan kapasiti; Pada 2.50-3.65V, kadar pengekalan kapasiti bateri tanpa lekapan ialah 94.07% selepas 1000 kitaran, manakala kadar pengekalan kapasiti bateri dengan lekapan ialah 96.03%.
Apabila had bawah voltan nyahcas meningkat, pengaruh lekapan pada prestasi berbasikal bateri secara beransur-ansur menjadi lemah, ditunjukkan sebagai jurang yang mengecil dalam pengekalan kapasiti antara bateri dengan dan tanpa lekapan. Ini menunjukkan bahawa kesan penambahbaikan lekapan pada prestasi berbasikal bateri menjadi lemah dalam julat voltan yang lebih tinggi.
Ujian EIS telah dijalankan pada bateri (kumpulan A, B, C, F, dsb.) dengan dan tanpa lekapan pada peringkat akhir berbasikal untuk beberapa skim, dan hasilnya ditunjukkan dalam Rajah 3. Titik permulaan bagi separuh bulatan spektrum impedans ialah galangan antara muka Rb antara elektrod dan antara muka elektrolit; Titik akhir separuh bulatan ialah impedans pemindahan caj Rct; Garis pepenjuru mewakili impedans yang disebabkan oleh resapan Li+ di dalam zarah bahan aktif, iaitu impedans Warburg (Dw). Daripada Rb dan Rct: A-1
Ini juga mengesahkan bahawa tekanan luaran boleh mengurangkan jurang antara muka elektrod dan meningkatkan kawasan sentuhan antara muka. Di bawah tekanan yang lebih rendah, bateri akan dimampatkan dan ketebalannya akan berkurangan, yang boleh mengurangkan rintangan sentuhan, memendekkan laluan penghantaran Li+, dan meminimumkan kehilangan litium aktif; Di samping itu, ia boleh menghalang detasmen bahan elektrod positif dan negatif yang disebabkan oleh pengeluaran gas semasa pelepasan voltan rendah, mengurangkan pengembangan bateri yang tidak dapat dipulihkan, mengekalkan kestabilan elektrod positif dan negatif, dan meningkatkan prestasi berbasikal bateri. Semakin rendah voltan had bawah pelepasan, semakin dalam pengekstrakan litium bahan elektrod negatif, dan semakin teruk pengeluaran gas bateri. Kehadiran lekapan secara berkesan boleh menyekat kehilangan aktiviti Li+ yang disebabkan oleh pengeluaran gas, dengan itu meningkatkan prestasi berbasikal bateri. Ini juga menjelaskan mengapa apabila voltan nyahcas meningkat secara beransur-ansur, perbezaan dalam bilangan kitaran antara bateri dengan dan tanpa lekapan menjadi lebih kecil dan lebih kecil.
Untuk memerhatikan lagi perubahan dalam kitaran bateri pada voltan yang berbeza, bateri telah dibuka dan perubahan dalam bahan elektrod positif dan negatif diperhatikan.
Dari perspektif morfologi, tidak terdapat perbezaan yang signifikan antara bahan elektrod positif dan negatif selepas kitaran pelepasan berlebihan. Elektrod negatif muncul sebagai blok, manakala elektrod positif muncul sebagai zarah kecil. Kehadiran atau ketiadaan lekapan tidak mempunyai kesan ke atas morfologi bahan elektrod positif dan negatif. Semasa pengecasan cetek berterusan dan proses nyahcas dalam, parameter sel unit bahan mungkin berubah, terutamanya untuk bahan elektrod negatif, yang boleh mengakibatkan perubahan dalam jarak interlayer.
Analisis XRD dilakukan pada elektrod negatif, dan hasilnya ditunjukkan dalam rajah. Daripada rajah tersebut, dapat dilihat bahawa walaupun bateri dikitar dalam julat voltan yang berbeza, bahan elektrod negatif selepas berbasikal masih grafit dan tiada bahan baharu lain dihasilkan. Dalam julat voltan yang sama, puncak ciri plat elektrod negatif (002) dan (100) bateri bebas pengapit beralih ke arah sudut yang lebih rendah, menunjukkan bahawa parameter kekisi grafit meningkat dan jarak antara planar meningkat.
Ini bermakna berbanding dengan bateri dengan lekapan, jarak antara lapisan grafit bagi bateri bukan lekapan terus meningkat semasa proses pengecasan dan nyahcas berterusan. Perubahan mikroskopik dalam bahan ini mengakibatkan kemerosotan prestasi berbasikal yang lebih teruk, dan juga menjelaskan mengapa prestasi berbasikal bateri dengan lekapan adalah jauh lebih baik daripada bateri tanpa lekapan dalam julat voltan yang sama.
2.4 Ciri-ciri perubahan hayat kalendar selepas bateri lebih nyahcas
Untuk memerhatikan perubahan kapasiti bateri selepas lebihan nyahcas jangka panjang, pengekalan kapasiti dan pemulihan bateri selepas dinyahcaskan kepada voltan 0 yang ditetapkan.50V, 0.80V, 1.50 V, dan 2.50V untuk tempoh masa tertentu telah dikaji.
Walaupun bateri disimpan pada voltan rendah, tidak akan ada kemerosotan kapasiti, yang tidak mempunyai kesan ketara ke atas kapasiti dan tidak akan menyebabkan kehilangan kapasiti akibat terlalu banyak dicas. Dari perspektif metodologi, selepas bateri telah dilepaskan secara berlebihan, ia boleh dibiarkan untuk satu tempoh masa dan dicas semula dengan arus kecil untuk memulihkan dan mengekalkan kapasitinya.
3 Kesimpulan
Berdasarkan kajian ciri-ciri bateri litium-ion yang digunakan dalam pusat data, pengaruh daya pramuat yang berbeza pada lebihan nyahcas telah diterokai. Keputusan menunjukkan bahawa:
Dengan menggunakan dua jenis daya pra mengetatkan pada bateri dengan dan tanpa pengapit, berbasikal dalam enam julat voltan {{0}}~3.65V, 0.20~3.65V , 0.50~3.65V, 0.80~3.65V, 1.50~3.65V, dan julat konvensional 2.50~3.65V, tidak kira sama ada terdapat pengapit, semakin rendah voltan pemotongan pelepasan bateri, semakin cepat pereputan kapasiti. Dalam aplikasi praktikal, kitaran voltan rendah jangka panjang harus dielakkan sebanyak mungkin untuk memanjangkan hayat perkhidmatan bateri.
Lekapan boleh meningkatkan prestasi berbasikal bateri, tetapi kesannya menjadi lemah apabila voltan pemotongan nyahcas meningkat. Keputusan EIS, XRD dan ujian lain menunjukkan bahawa lekapan boleh memastikan kestabilan bahan aktif elektrod positif dan negatif semasa berbasikal, mengurangkan jurang antara muka elektrod, meningkatkan kawasan sentuhan, menurunkan rintangan ohmik, memendekkan laluan pengangkutan Li+, mengurangkan litium aktif kehilangan, mengurangkan pengembangan bateri yang tidak dapat dipulihkan, dan meningkatkan prestasi kitaran bateri. Keputusan eksperimen mempunyai kepentingan panduan untuk reka bentuk pemasangan bateri, dan adalah disyorkan bahawa penyelidik akan datang mempertimbangkan reka bentuk pemasangan yang ketat untuk meningkatkan prestasi bateri.
Selepas penyimpanan jangka panjang dalam julat voltan nyahcas yang berbeza, kapasiti bateri tidak akan berkurangan dengan penurunan voltan pemotongan nyahcas. Penambahan arus kecil boleh mengekalkan dan memulihkan kapasiti. Ini memberikan penyelesaian kepada masalah penurunan prestasi bateri selepas penyimpanan jangka panjang.