1 эксперимент
1.1 Подготовка аккумулятора
Смешайте положительный электрод DY{{0}} литий-железо-фосфат, проводящий агент Super P и связующее вещество PVDF5130 в массовом соотношении 94,0:2,5:3,5, добавьте растворитель NMP и перемешивайте в течение 5 минут. часов для получения суспензии с содержанием твердых веществ (60,0±1,5)% и вязкостью 8000мПа·с. Нанесите суспензию на алюминиевую фольгу толщиной 16 мкм с поверхностной плотностью (330 ± 3) г/м2. После вакуумной выпечки при 85 градусах в течение 12 часов прокатайте электрод до уплотненной плотности 2,20 г/см3 и получите положительный электрод размером 124 мм × 121 мм.
Смешайте отрицательный графит, проводящую сажу Super P и акрилонитрил LA133 в массовом соотношении 95,5:1.0:3,5, приготовьте суспензию, используя деионизированную воду в качестве растворителя, и нанесите ее на слой толщиной 8 мкм. медная фольга поверхностной плотностью (160±2) г/м2. Высушите и спрессуйте его, как положительный электрод, до достижения плотности уплотнения 1,45 г/см3 и получите лист отрицательного электрода размером 130 мм × 127 мм.
После укладки положительных и отрицательных электродов была подготовлена полная литий-ионная батарея LFP с алюминиевым корпусом 36130145 номинальной емкостью 60Ач путем герметизации их алюминиевой оболочкой. После обжига при 85 градусах в течение 12 часов вводили электролит. Подготовленная батарея подвергается химическому преобразованию и разделению емкости. Этапы формирования: заряжайте при 0,05C в течение 80 минут, затем заряжайте при 0,10C в течение 150 минут, с максимальным зарядным напряжением 3,65 В. Шаг разделения емкости: оставьте его при температуре 45 градусов на 12 часов для старения, затем разрядите при температуре 0,20 C с нижним предельным напряжением 2,50 В.
1.2 Морфология и структурный анализ
Наблюдайте за микроструктурой материала с помощью сканирующего электронного микроскопа. Используйте рентгеновский дифрактометр для анализа структурных изменений материалов.
1.3 Электрохимические испытания производительности
Проверьте EIS батареи с помощью электрохимической рабочей станции. Используйте высокоточный тестер для проверки работоспособности аккумулятора в диапазоне 5 В и 100~50{{10}}А. Обычный метод проверки емкости: заряжайте постоянным током от 1,00C до 3,65 В, затем переключитесь на постоянное напряжение и заряжайте до достижения температуры 0,05 C; Оставьте на 0,5 часа, разрядите при температуре 1,00C до 2,50 В, дайте постоять 0,5 часа, повторите цикл 3 раза.
Метод циклической проверки батареи: Зарядите постоянным током от 1,00C до 3,65 В, затем переключитесь на зарядку при постоянном напряжении до отключения 0.05C. Разрядите при 1.00С, 2.{{10}}С и 5.00С соответственно до 2,50В, повторите цикл, пусть посидите {{30}},5 часов в середине, пока он не будет пройден 1000 раз. Метод испытания батареи на переразряд: эталонная скорость заряда-разряда составляет 1,00C для зарядки и 1,00C для разрядки, а напряжения переразряда составляют 0-3,65 В, 0,20-3,65 В, 0.50-3.65В, 0.80-3.65В и 1.50-3.65В соответственно. Обычное напряжение составляет 2,50–3,65 В. Приспособление используется для приложения силы предварительной затяжки (1400±200) Н к плоскости аккумуляторного элемента; Отсутствие крепления означает приложение к аккумуляторному элементу силы предварительной нагрузки 0 Н.
Метод проверки срока годности аккумулятора: ① Заряжайте при постоянном токе 0,50C до 3,65 В, переключитесь на зарядку при постоянном напряжении до 0.0отключение при 5C. , дать постоять 0.5ч, разрядить при 78{{20}}Вт до 2,50В, рекордная емкость 1; ② Отложите на 0,5 часа, зарядите 3,65 В при постоянном токе 0,50C, переключитесь на зарядку при постоянном напряжении до отключения 0,05C, отставить на 0,5 часа, разрядить до указанного напряжения (1,50В, 0,80В, 0,50В) мощностью 780Вт, отложить на указанное время, зарядить 3,65 В при постоянном токе 0,10 С, переключиться на зарядку при постоянном напряжении до отключения при 0,05 С, отложить на 0,5 часа и разрядить до 2,50 В при мощности 780 Вт, записать разрядную емкость 2; ③ Повторите шаг 1, запишите разрядную емкость 3 и повторите шаги с 1 по 3. Среди них соотношение емкости 2 к емкости 1 является коэффициентом удержания, а соотношение емкости 3 к емкости 1 является скоростью восстановления.
2 Результаты и обсуждение
2.1 Цикл производительности при разном увеличении
Эксперимент проводился на базе аккумулятора, используемого в дата-центре, а скорость циклической работы аккумулятора показана на рисунке 1. Из рисунка видно, что при одинаковой скорости зарядки через 2{{3 }}0 циклов разряда при 2.00С и 5.00С емкость снижается на 14% и 20% соответственно. По сравнению с циклом разряда 1,00С емкость снижается на 12%, что на 2 и 8 процентных пункта ниже соответственно. С точки зрения производительности при циклическом использовании аккумуляторы обладают характеристикой длительной циклической работы.
2.2 Характеристики характеристик цикла переразряда в различных диапазонах напряжений
Для изучения характеристик переразряда аккумуляторов с алюминиевым корпусом в различных диапазонах напряжений были проведены испытания аккумуляторов в режиме непрерывной циклизации, причем переменными были диапазон напряжений и состояние батареи во время циклирования: с приспособлениями или без них. Пронумеруйте батареи отдельно и обратитесь к Таблице 1, чтобы узнать об изменениях и исходном состоянии батарей. Уровень заряда (SOC) аккумуляторов составляет 30%. Судя по начальному напряжению, внутреннему сопротивлению и толщине 12 групп батарей, перечисленных в Таблице 1, при 30% SOC, стабильность экспериментальных батарей хорошая.
Выполните непрерывное циклическое тестирование батареи. Кривая затухания показана на рисунке ниже. Можно видеть, что когда батарея не имеет крепления, ее циклическая характеристика постепенно ухудшается по мере увеличения степени переразряда. Когда напряжение отключения разряда аккумулятора составляет 2,50В, 1,50В, 0,80В, 0,50В, 0,20В и 0В, количество циклов и сохранение емкости аккумулятора составляют 94,07% после 1000 циклов, 80,00% после 1000 циклов, 74,93% после 648 циклов, 67,72% после 360 циклов, 63,26% после 119 циклов и 61,85% после 145 циклов соответственно.
При уменьшении нижнего предельного напряжения на 1,00В (с 2,50В до 1,50В) скорость затухания увеличивается на 14% при том же числе циклов; При уменьшении нижнего предельного напряжения на 1,70В (с 2,50В до 0,80В) срок службы циклов составляет всего 648 раз; А при разряде аккумулятора до 0В срок службы падает до 145 раз. Уменьшение нижнего предельного напряжения разряда оказывает существенное влияние на срок службы аккумулятора. Расширение диапазона напряжения зарядки и разрядки аккумулятора может увеличить его емкость, например, при изменении напряжения с 2,50–3,65 В до 0–3,65 В. Емкость аккумулятора увеличилась на 4Ач.
Даже с приспособлениями батареи демонстрируют те же характеристики производительности, что и без приспособлений. Чем ниже напряжение разряда аккумулятора, тем короче срок службы. При напряжениях разрядной отсечки 2,50В, 1,50В, 0,80В, 0,50В, 0,20В и 0В число циклов и показатели сохранения батареи составляют 96,03% после 1000 циклов, 86.73% после 928 циклов, 84,46%. после 733 циклов, 81,95% после 741 цикла, 61,28% после 598 циклов и 60,08% после 647 циклов соответственно.
2.3 Характеристики работы в цикле переразряда при различных усилиях предварительного натяга
Чем глубже степень переразряда аккумулятора с усилием предварительной затяжки или без него, тем меньше срок службы. Далее изучите влияние наличия или отсутствия светильников на работу батареи. Анализируя данные, сравните циклическую работу аккумуляторов со светильниками и без них в одинаковых условиях эксплуатации.
Независимо от фактического диапазона циклического напряжения батареи, циклическая производительность батарей с фиксаторами превосходит аккумуляторы без фиксаторов. Однако по мере того, как нижний предел напряжения разряда продолжает увеличиваться, влияние светильников на циклическую работу батареи постепенно снижается. При {{0}}~3,65 В срок службы батареи со светильниками составляет 647 раз, а срок службы батареи без светильников – 145 раз, разница в 502 раза; При 0.20-3.65В срок службы батареи со светильниками составляет 598 раз, а срок службы батареи без светильников - 119 раз, разница в 479 раз; При 0,50-3,65 В коэффициент сохранения емкости аккумулятора без фиксаторов составляет 67,72 % после 360 циклов, тогда как коэффициент сохранения емкости аккумулятора с фиксаторами составляет 90,00 %; При 0,80-3,65 В коэффициент сохранения емкости аккумулятора без приспособлений составляет 80,00% после 500 циклов, тогда как коэффициент сохранения емкости аккумулятора с приспособлениями составляет 92,00. %; При напряжении 1,50-3,65 В коэффициент сохранения емкости батареи без фиксаторов составил 84,55 % после 928 циклов, тогда как коэффициент сохранения емкости аккумулятора с фиксаторами составил 86,73 %, т. е. увеличение на 2,18 процентных пункта по сохранению мощностей; При напряжении 2,50-3,65 В коэффициент сохранения емкости аккумулятора без фиксаторов составляет 94,07% после 1000 циклов, тогда как коэффициент сохранения емкости аккумулятора с фиксаторами составляет 96,03%.
По мере увеличения нижнего предела напряжения разряда влияние светильников на циклическую работу батареи постепенно ослабевает, что проявляется в сужении разрыва в сохранении емкости между батареями со светильниками и без них. Это указывает на то, что эффект улучшения характеристик светильников на циклическую работу батареи ослабляется в более высоких диапазонах напряжения.
Тестирование EIS проводилось на батареях (группы A, B, C, F и т. д.) с фиксаторами и без них на поздних стадиях циклирования для некоторых схем, результаты показаны на рисунке 3. Начальная точка испытания Полукруг спектра импеданса — интерфейсное сопротивление Rb между электродом и границей раздела электролита; Конечная точка полукруга — сопротивление переноса заряда Rct; Диагональная линия представляет импеданс, вызванный диффузией Li+ внутри частиц активного материала, который представляет собой импеданс Варбурга (Dw). От Rb и Rct: A-1
Это также подтверждает, что внешнее давление может уменьшить зазоры между электродами и увеличить площадь контакта между ними. При более низком давлении батарея будет сжиматься, а ее толщина уменьшится, что может уменьшить контактное сопротивление, сократить путь передачи Li+ и минимизировать потерю активного лития; Кроме того, он может предотвратить отслоение материалов положительных и отрицательных электродов, вызванное выделением газа во время разряда низкого напряжения, уменьшить необратимое расширение батареи, сохранить стабильность положительных и отрицательных электродов и улучшить циклические характеристики батареи. Чем ниже нижний предел напряжения разряда, тем глубже извлечение лития из материала отрицательного электрода и тем сильнее газообразование в аккумуляторе. Наличие приспособлений может эффективно подавлять потерю активности Li+, вызванную выделением газа, тем самым улучшая циклические характеристики батареи. Это также объясняет, почему по мере постепенного увеличения напряжения разряда разница в количестве циклов между батареями с приспособлениями и без них становится все меньше и меньше.
Для дальнейшего наблюдения за изменениями в циклическом цикле работы батареи при различных напряжениях батарею разбирали и наблюдали изменения в материалах положительных и отрицательных электродов.
С морфологической точки зрения нет существенной разницы между материалами положительных и отрицательных электродов после циклов переразряда. Отрицательный электрод выглядит как блок, а положительный электрод — в виде мелких частиц. Наличие или отсутствие приспособлений не влияет на морфологию материалов положительных и отрицательных электродов. Во время непрерывного процесса мелкой зарядки и глубокой разрядки параметры элементарной ячейки материала могут измениться, особенно для материалов отрицательных электродов, что может привести к изменению межслоевого расстояния.
Рентгеновский анализ проводился на отрицательном электроде, результаты показаны на рисунке. Из рисунка видно, что, хотя аккумулятор подвергается циклическому воздействию в разных диапазонах напряжения, материал отрицательного электрода после циклического цикла по-прежнему остается графитом, и никаких других новых веществ не образуется. В этом же диапазоне напряжений характерные пики пластин отрицательного электрода (002) и (100) бесзажимной батареи смещаются в сторону меньших углов, что свидетельствует об увеличении параметров решетки графита и увеличении межплоскостного расстояния.
Это означает, что по сравнению с батареями с фиксаторами расстояние между слоями графита в батареях без фиксаторов продолжает увеличиваться во время непрерывного процесса зарядки и разрядки. Микроскопические изменения в этом материале приводят к более серьезному ухудшению велосипедных характеристик, а также объясняют, почему циклические характеристики батарей с фиксаторами значительно лучше, чем у батарей без фиксаторов в том же диапазоне напряжений.
2.4 Характеристики изменения календарного срока службы после разряда аккумулятора
Для дальнейшего наблюдения за изменением емкости аккумулятора после длительного переразряда, сохранением емкости и восстановлением аккумулятора после разряда до указанного напряжения 0,50В, 0,80В, 1,50. V и 2,50 В в течение определенного периода времени.
Даже если аккумулятор хранится при низком напряжении, ухудшения емкости не произойдет, что не окажет существенного влияния на емкость и не приведет к потере емкости из-за переразряда. С методологической точки зрения, после чрезмерной разрядки батареи ее можно оставить на некоторое время и подзарядить небольшим током для восстановления и поддержания ее емкости.
3 Заключение
На основе изучения характеристик литий-ионных аккумуляторов, используемых в дата-центрах, было исследовано влияние различных сил преднагрузки на переразряд. Результаты показали, что:
Прикладывая к аккумулятору два типа усилий предварительной затяжки с зажимами и без них, циклически переключаясь в шести диапазонах напряжения: {{0}}~3,65 В, 0,20~3,65 В. , 0,50–3,65 В, 0,80–3,65 В, 1,50–3,65 В и обычный диапазон 2,50–3,65 В, независимо от того, есть зажим, чем ниже напряжение отсечки разряда аккумулятора, тем быстрее снижается емкость. В практических приложениях следует избегать длительной циклической работы при низком напряжении, насколько это возможно, чтобы продлить срок службы батареи.
Светильники могут улучшить циклические характеристики аккумуляторов, но их эффект ослабевает по мере увеличения напряжения отключения разряда. Результаты EIS, XRD и других испытаний показывают, что приспособление может обеспечить стабильность активных материалов положительного и отрицательного электрода во время езды на велосипеде, уменьшить зазоры между электродами, увеличить площадь контакта, снизить омическое сопротивление, сократить путь транспортировки Li+, уменьшить количество активного лития. потери, уменьшить необратимое расширение батареи и улучшить производительность циклической зарядки батареи. Результаты эксперимента имеют решающее значение для проектирования аккумуляторных сборок, и будущим исследователям рекомендуется рассмотреть возможность проектирования герметичной сборки для улучшения характеристик аккумуляторной батареи.
После длительного хранения в различных диапазонах напряжения разряда емкость аккумулятора не уменьшится с уменьшением напряжения отключения разряда. Небольшие текущие пополнения позволяют поддерживать и восстанавливать мощности. Это обеспечивает решение проблемы снижения производительности аккумулятора после длительного хранения.