Modell des Ausfalls von Lithiumbatterien – Erklären Sie das Phänomen der Lithiumentwicklung in der Graphitanode: Teil-1

01 Nov 2021

Während des langen Zyklus ist die reversible Kapazität des Litium-Ionen-Batterie wird aufgrund der Reduzierung der Aktivmaterialien, der Ausscheidung von metallischem Lithium, des kontinuierlichen Elektrolytverbrauchs, der Erhöhung des Innenwiderstands und des thermischen Durchgehens weiter abnehmen. Unter ihnen ist das Lithiumentwicklungsphänomen der negativen Graphitelektrode die wichtigste Ursache für eine Verschlechterung der Batteriekapazität und einen internen Kurzschluss.

Mit der groß angelegten Popularisierung von Fahrzeugen mit neuer Energie, Lithium-Ionen-Batterien sind das wichtigste Energiesystem. Neben der Energiedichte sind auch Zyklenfestigkeit und Sicherheit zwei große Probleme, die bei kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien dringend verbessert werden müssen. Es wird allgemein angenommen, dass das Phänomen der Lithiumentwicklung auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass bei der Einlagerung von Lithiumionen auf der negativen Graphitelektrode ein Teil der metallischen elementaren Lithiumsubstanz aufgrund kinetischer Einschränkungen auf der Graphitoberfläche ausgefällt wird, wodurch ein ungleichmäßiges Lithiummetall gebildet wird Schicht. Die Lithiummetallschicht auf der Graphitoberfläche verursacht nicht nur ernsthafte Sicherheitsrisiken, sondern verschlimmert auch das Wachstum des Festelektrolytgrenzflächenfilms, wodurch das darin eingeschlossene aktive Lithium zu totem Lithium wird und am nachfolgenden Lithium-Deinterkalationszyklus nicht teilnehmen kann , und die Kapazität wird stark reduziert.

Die Forschungs- und Testergebnisse mit drei Elektroden zeigen, dass das Lithium-Insertionspotential der negativen Graphitelektrode mit zunehmender Lade- und Entladerate abnimmt und schließlich unter das Lithium-Ausscheidungspotential (0 V vs. Li0/Li+) fällt. Allerdings kann die Kinetik die verschiedenen Phänomene der Lithiumentwicklung an der Graphitanode nicht vollständig aufklären. Zum Beispiel ist ein Potential unter 0 V keine notwendige Bedingung für die Lithiumentwicklung, und unter besonderen Bedingungen wird sogar bei einer Lade-Entlade-Geschwindigkeit von weniger als 1,5 C eine Lithiumentwicklung an der negativen Graphitelektrode beobachtet. Daher können die bisher vernachlässigten thermodynamischen Faktoren einen entscheidenden Einfluss auf das Lithiumausscheidungsphänomen haben.

In einer Reihe von Fachartikeln werden wir die Details dieses Phänomens mit Ihnen teilen.

Einführung

Kinetische Studien gehen davon aus, dass das Lithium-Interkalationspotential der Graphitanode mit zunehmender Lade-Entlade-Geschwindigkeit unter 0 V (gegen Li0/Li+) sinkt, was die Ausfällung von Lithiummetall verursacht. Es gibt jedoch auch Experimente, die beobachtet haben, dass das Phänomen der Lithiumentwicklung auch auftritt, wenn das Potenzial höher als 0 V ist oder die Lade-Entlade-Geschwindigkeit klein ist. Dies ist kinetisch schwer zu erklären, daher fließen thermodynamische Faktoren wieder in die Betrachtung des Forschers ein.

Die exotherme Reaktion und die Joulesche Wärme, die den Lade- und Entladezyklus begleiten, führen dazu, dass die Innentemperatur der Batterie weiter ansteigt, einen Temperaturgradienten innerhalb der Batterie bildet und dann das Gleichgewichtselektrodenpotential der Redoxreaktion ändert.

Kürzlich hat Cui Yis Gruppe an der Stanford University PNAS The Journal veröffentlicht den Titel "Under potential lithium plating on Graphitanodes verursacht durch Temperaturheterogenität". das Lithium-Insertionspotential des negativen Graphitelektrodenteils vom Gleichgewichtselektrodenpotential abweicht, und dann erfolgt die Ausscheidung von Lithiummetall bei einem Potential über 0 V (gegen Li0/Li+). Faktoren erklären gut, warum Graphitanoden auch unter langsamen Ladebedingungen eine Lithiumentwicklung zeigen Diese Arbeit soll das ungleichmäßige Lithiumabscheidungsverhalten besser verstehen und die Lebensdauer des Lithium-Ionen-Zyklus verlängern. Eine theoretische Grundlage liefern.

Forschungshighlights

1. Die thermodynamischen Faktoren beim Phänomen der Lithiumanalyse wurden von den Menschen ignoriert. Diese Arbeit hat das abnormale Verhalten der Lithium-Metall-Ausscheidung aus der Perspektive der Thermodynamik durch eingehende Untersuchungen der Temperatur in Homogenität innerhalb der Batterie untersucht.

2. Diese Arbeit beweist, dass mit steigender Temperatur die Fällungsreaktion von Lithiummetall im lokalen Bereich der Graphitanode bei einem Potenzial über 0 V (gegen Li0/Li+) abläuft, und die verschiedenen Lithium-Fällungsmodi werden eingehend analysiert .

3. Diese Arbeit hat eingehende Untersuchungen zur Unterpotentialabscheidung von Lithiummetall auf Graphitanoden durch Experimente und Simulationen durchgeführt und hat ein umfassenderes Verständnis des Phänomens der Lithiumentwicklung. Es wird gehofft, dass es die Verbesserung der Lithium-Ionen-Akku-Schnellladetechnologie leiten wird.

Grafische Anleitung

Abbildung 1. Forschung zur Temperaturkoeffizientenmessung

(A) Schematische Darstellung einer nicht-isothermen Elektrolysezelle vom H-Typ, die verwendet wird, um den Temperaturkoeffizienten zu messen;

(B) Die zeitliche Änderung der Leerlaufspannung (OCV) in der nicht-isothermen Elektrolysezelle vom H-Typ, die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode sind beides Lithiumfolien;

(C) Die zeitliche Änderung der Leerlaufspannung (OCV) in der nicht-isothermen Elektrolysezelle vom H-Typ, die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode sind beide aus Graphit;

(D) Anpassungskurven von ΔT und ΔV von Lithiummetall und Graphit;

(E) Ein schematisches Diagramm der Lithiumentwicklung im Hochtemperaturbereich auf der Graphitanode bei ungleichmäßiger Temperaturverteilung;

(F) Wenn das Potenzial höher als 0 V ist (gegen Li0/Li+), das schematische Diagramm des Lithiumentwicklungsmechanismus auf der negativen Graphitelektrode.

Abschluss:

Um den reibungslosen Ablauf Ihrer Anwendung zu gewährleisten, EverExceed Forschungs- und Entwicklungsingenieure arbeiten Tag und Nacht, um den Stand der Technik zu erforschen und zu gestalten Lithium-Eisenphosphat-Batterien mit den perfekten Lade- und Entladeparametern, die die längste verfügbare Zyklenlebensdauer der Batterie bestätigen. Wählen Sie also EverExceed als Ihre Marke für absolute Zuverlässigkeit.

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