1 Experiment
1.1 Batterievorbereitung
Mischen Sie die positive Elektrode DY{{0}} Lithiumeisenphosphat, das Leitmittel Super P und das Bindemittel PVDF5130 in einem Massenverhältnis von 94,0:2,5:3,5, geben Sie das Lösungsmittel NMP hinzu und rühren Sie 5 Minuten lang Stunden, um eine Aufschlämmung mit einem Feststoffgehalt von (60,0 ± 1,5) % und einer Viskosität von 8000 mPa · s zu erhalten. Tragen Sie die Aufschlämmung auf eine 16 μm dicke Aluminiumfolie mit einer Oberflächendichte von (330 ± 3) g/m2 auf. Nach 12-stündigem Vakuumbacken bei 85 Grad wird die Elektrode durch Walzenpressen auf eine Kompaktdichte von 2,20 g/cm3 gebracht und eine positive Elektrode mit einer Größe von 124 mm × 121 mm erhalten.
Mischen Sie den negativen Graphit, den leitfähigen Ruß Super P und LA133-Acrylnitril in einem Massenverhältnis von 95,5:1.0:3,5, bereiten Sie eine Aufschlämmung mit entionisiertem Wasser als Lösungsmittel vor und tragen Sie diese auf eine 8 μm dicke Schicht auf Kupferfolie mit einer Flächendichte von (160 ± 2) g/m2. Trocknen Sie es und pressen Sie es wie die positive Elektrode, um eine verdichtete Dichte von 1,45 g/cm3 zu erreichen, und erhalten Sie eine negative Elektrodenfolie mit einer Größe von 130 mm × 127 mm.
Nach dem Stapeln der positiven und negativen Elektroden wurde die LFP-Lithium-Ionen-Vollbatterie mit 36130145-Aluminiumgehäuse und einer Nennkapazität von 60Ah hergestellt, indem sie mit einer Aluminiumabdeckungshülle eingekapselt wurden. Nach 12-stündigem Backen bei 85 Grad wurde der Elektrolyt eingespritzt. Die vorbereitete Batterie durchläuft eine chemische Umwandlung und Kapazitätsaufteilung. Formationsschritte: Laden bei 0,05 C für 80 Minuten, dann Laden bei 0,10 C für 150 Minuten, mit einer maximalen Ladespannung von 3,65 V. Schritt der Kapazitätsaufteilung: Lassen Sie es 12 Stunden lang bei 45 Grad zum Altern stehen und entladen Sie es dann bei 0,20 °C mit einer unteren Grenzspannung von 2,50 V.
1.2 Morphologie und Strukturanalyse
Beobachten Sie die Mikrostruktur des Materials mit einem Rasterelektronenmikroskop. Verwenden Sie Röntgendiffraktometer, um die Strukturveränderungen von Materialien zu analysieren.
1.3 Elektrochemische Leistungsprüfung
Testen Sie den EIS der Batterie mit einer elektrochemischen Workstation. Verwenden Sie einen hochpräzisen Batterietester, um die Leistung der Batterie mit einem Bereich von 5 V und 100~50{{10}}A zu testen. Herkömmliche Kapazitätstestmethode: Laden Sie mit einem konstanten Strom von 1,00C auf 3,65 V, wechseln Sie dann zu einer konstanten Spannung und laden Sie, bis 0,05 C erreicht sind; Lassen Sie es 0,5 Stunden ruhen, entladen Sie es bei 1,00 °C auf 2,50 V, lassen Sie es 0,5 Stunden ruhen und fahren Sie dreimal.
Methode zum Testen des Batteriezyklus: Laden Sie mit einem konstanten Strom von 1,00C auf 3,65 V und wechseln Sie dann zum Laden mit konstanter Spannung bis zur Abschaltung bei 0,05 C. Entladen Sie bei 1,00C, 2,{{10}}C bzw. 5,00C auf 2,50V, wiederholen Sie den Zyklus und lassen Sie ihn laufen Setzen Sie sich für {{30}},5 Stunden in die Mitte, bis es 1000 Mal durchlaufen wird. Batterie-Tiefentladungs-Testmethode: Die Referenz-Lade-Entladerate beträgt 1,00C zum Laden und 1,00C zum Entladen, und die Tiefentladungsspannungen betragen 0-3,65 V, 0,20-3,65 V, 0,50-3,65 V, 0,80-3,65 V bzw. 1,50-3,65 V. Die herkömmliche Spannung beträgt 2,50 bis 3,65 V. Mit einer Vorrichtung wird eine Vorspannkraft von (1400 ± 200) N auf die Ebene der Batteriezelle ausgeübt; Keine Befestigung bedeutet, dass eine Vorspannkraft von 0 N auf die Batteriezelle ausgeübt wird.
Testmethode für die Haltbarkeit der Batterie: ① Bei 0,50C konstantem Strom auf 3,65 V laden, auf Konstantspannungsladung auf 0,05C Abschaltung umschalten , lassen Sie es für 0,5 Stunden stehen, entladen Sie es bei 78{{20}}W auf 2,50V, notieren Sie die Kapazität 1; ② Für 0,5 Stunden beiseite stellen, 3,65 V bei 0,50C Konstantstrom aufladen, auf Konstantspannungsladung umschalten, bis die Abschaltung bei 0,05C erfolgt, 0,5 Stunden ruhen lassen, auf die angegebene Spannung (1,50 V, 0,80 V, 0,50 V) bei 780 W entladen, für die angegebene Zeit ruhen lassen, aufladen 3,65 V bei 0,10 °C Konstantstrom, auf Konstantspannungsladung bis zum Abschalten von 0,05 °C umschalten, 0,5 Stunden ruhen lassen und auf 2,50 V bei 780 W entladen, Entladekapazität 2 aufzeichnen; ③ Wiederholen Sie Schritt 1, zeichnen Sie die Entladekapazität 3 auf und wiederholen Sie die Schritte 1 bis 3. Dabei ist das Verhältnis von Kapazität 2 zu Kapazität 1 die Retentionsrate und das Verhältnis von Kapazität 3 zu Kapazität 1 die Rückgewinnungsrate.
2 Ergebnisse und Diskussion
2.1 Zyklusleistung bei verschiedenen Vergrößerungen
Das Experiment wurde auf der Grundlage einer im Rechenzentrum verwendeten Batterie durchgeführt. Die Rate-Cycling-Leistung der Batterie ist in Abbildung 1 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass bei gleicher Laderate nach 2{{3 }}0 Entladezyklen bei 2,00C und 5,00C verringert sich die Kapazität um 14 % bzw. 20 %. Im Vergleich zum Entladezyklus bei 1,00 °C verringert sich die Kapazität um 12 %, also 2 bzw. 8 Prozentpunkte weniger. Im Hinblick auf die Zyklenleistung zeichnen sich Batterien durch lange Zyklen aus.
2.2 Eigenschaften der Überentladungszyklusleistung in verschiedenen Spannungsbereichen
Um die Überentladungseigenschaften von Aluminiumgehäusebatterien in verschiedenen Spannungsbereichen zu untersuchen, wurden kontinuierliche Zyklentests an den Batterien durchgeführt, wobei die Variablen der Spannungsbereich und der Zustand der Batterie während des Zyklierens waren: mit oder ohne Vorrichtungen. Nummerieren Sie die Batterien separat und sehen Sie sich Tabelle 1 für die Änderungen und den Anfangszustand der Batterien an. Der Ladezustand (SOC) der Batterien beträgt 30 %. Ausgehend von der Anfangsspannung, dem Innenwiderstand und der Dicke der 12 in Tabelle 1 aufgeführten Batteriegruppen bei 30 % SOC ist die Konsistenz der Versuchsbatterien gut.
Führen Sie kontinuierliche zyklische Tests an der Batterie durch. Die Dämpfungskurve ist in der Abbildung unten dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich die Zyklenleistung der Batterie mit zunehmendem Grad der Tiefentladung allmählich verschlechtert, wenn die Batterie keine Halterung hat. Wenn die Entlade-Abschaltspannungen der Batterie 2,5 0 V, 1,5 0 V, 0,8 0 V, 0,50 V, 0,20 V und 0 V betragen, Die Anzahl der Zyklen und die Kapazitätserhaltung der Batterie betragen 94,07 % nach 1000 Zyklen, 80,00 % nach 1000 Zyklen, 74,93 % nach 648 Zyklen, 67,72 % nach 360 Zyklen, 63,26 % nach 119 Zyklen bzw. 61,85 % nach 145 Zyklen.
Wenn die untere Grenzspannung um 1,00V abnimmt (von 2,50V auf 1,50V), erhöht sich die Dämpfungsrate bei der gleichen Anzahl von Zyklen um 14 %; Wenn die untere Grenzspannung um 1,70V abnimmt (von 2,50 V auf 0,80 V), beträgt die Zyklenlebensdauer nur 648; Und wenn die Batterie auf 0 V entladen wird, sinkt die Zyklenlebensdauer auf das 145-fache. Die Verringerung der unteren Grenzspannung der Entladung hat erhebliche Auswirkungen auf die Zyklenlebensdauer der Batterie. Durch Erweitern des Lade- und Entladespannungsbereichs des Akkus kann dessen Kapazität erhöht werden, beispielsweise wenn sich die Spannung von 2,50–3,65 V auf 0–3,65 V ändert. Die Batteriekapazität wurde um 4 Ah erhöht.
Auch mit Einbauten zeigen Akkus die gleichen Leistungsmerkmale wie ohne Einbauten. Je niedriger die Entladespannung der Batterie ist, desto kürzer ist die Zyklenlebensdauer. Bei Entlade-Abschaltspannungen von 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50 V, 0,20 V und 0 V ist die Anzahl der Zyklen und die Erhaltungsraten der Batterie betragen 96,03 % nach 1000 Zyklen, 86,73 % nach 928 Zyklen, 84,46 % nach 733 Zyklen, 81,95 % nach 741 Zyklen, 61,28 % nach 598 Zyklen bzw. 60,08 % nach 647 Zyklen.
2.3 Eigenschaften der Überentladungszyklusleistung bei unterschiedlichen Vorspannkräften
Je tiefer der Grad der Tiefentladung der Batterie mit oder ohne Vorspannkraft ist, desto schlechter ist die Zyklenlebensdauer. Untersuchen Sie weiter, welche Auswirkungen das Vorhandensein oder Fehlen von Geräten auf die Batterieleistung hat. Vergleichen Sie durch die Analyse der Daten die zyklische Leistung von Batterien mit und ohne Vorrichtungen unter den gleichen Betriebsbedingungen.
Unabhängig vom tatsächlichen Zyklenspannungsbereich der Batterie ist die Zyklenleistung von Batterien mit Halterungen besser als die von Batterien ohne Halterungen. Da jedoch die untere Grenze der Entladespannung weiter ansteigt, nimmt der Einfluss der Geräte auf die Batteriezyklusleistung allmählich ab. Zwischen {{0}}~3,65 V beträgt die Batterielebensdauer mit Geräten das 647-fache, während die Batterielebensdauer ohne Geräte 145-mal beträgt, was einem Unterschied von 502 entspricht. Bei 0.20-3.65V beträgt die Batterielebensdauer mit Geräten das 598-fache, während die Batterielebensdauer ohne Geräte 119-mal beträgt, was einem Unterschied von 479-mal entspricht; Bei 0,50-3,65 V beträgt die Kapazitätserhaltungsrate der Batterie ohne Halterungen 67,72 % nach 360 Zyklen, während die Kapazitätserhaltungsrate der Batterie mit Halterungen 90,00 % beträgt; Bei 0,80-3,65 V beträgt die Kapazitätserhaltungsrate der Batterie ohne Halterungen 80,00 % nach 500 Zyklen, während die Kapazitätserhaltungsrate der Batterie mit Halterungen 92,00 beträgt %; Bei 1,50-3,65 V betrug die Kapazitätserhaltungsrate der Batterie ohne Halterungen 84,55 % nach 928 Zyklen, während die Kapazitätserhaltungsrate der Batterie mit Halterungen 86,73 % betrug, eine Steigerung von 2,18 Prozentpunkte bei der Kapazitätserhaltung; Bei 2,50-3,65 V beträgt die Kapazitätserhaltungsrate der Batterie ohne Halterungen 94,07 % nach 1000 Zyklen, während die Kapazitätserhaltungsrate der Batterie mit Halterungen 96,03 % beträgt.
Mit zunehmender Untergrenze der Entladespannung nimmt der Einfluss von Vorrichtungen auf die Batteriezyklusleistung allmählich ab, was sich in einer kleiner werdenden Lücke in der Kapazitätserhaltung zwischen Batterien mit und ohne Vorrichtungen äußert. Dies weist darauf hin, dass die Verbesserungswirkung von Geräten auf die Batteriezyklusleistung in höheren Spannungsbereichen schwächer wird.
EIS-Tests wurden an den Batterien (Gruppen A, B, C, F usw.) mit und ohne Vorrichtungen in den späteren Phasen des Zyklus für einige der Schemata durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt. Der Ausgangspunkt der Der Halbkreis des Impedanzspektrums ist die Grenzflächenimpedanz Rb zwischen der Elektrode und der Elektrolytgrenzfläche. Der Endpunkt des Halbkreises ist die Ladungsübertragungsimpedanz Rct; Die diagonale Linie stellt die Impedanz dar, die durch die Diffusion von Li+ innerhalb der aktiven Materialpartikel verursacht wird, die Warburg-Impedanz (Dw). Aus Rb und Rct: A-1
Dies bestätigt auch, dass externer Druck die Lücken zwischen den Elektrodenschnittstellen verringern und die Kontaktfläche der Schnittstellen vergrößern kann. Bei geringerem Druck wird die Batterie komprimiert und ihre Dicke nimmt ab, was den Kontaktwiderstand verringern, den Li+-Übertragungsweg verkürzen und den Verlust an aktivem Lithium minimieren kann; Darüber hinaus kann es die Ablösung von positiven und negativen Elektrodenmaterialien verhindern, die durch die Gasproduktion während der Niederspannungsentladung verursacht wird, die irreversible Ausdehnung der Batterie verringern, die Stabilität der positiven und negativen Elektroden aufrechterhalten und die Zyklenleistung der Batterie verbessern. Je niedriger die untere Entladungsgrenzspannung ist, desto tiefer ist die Lithiumextraktion des negativen Elektrodenmaterials und desto stärker ist die Gasproduktion der Batterie. Das Vorhandensein von Vorrichtungen kann den durch die Gasproduktion verursachten Verlust an Li+-Aktivität wirksam unterdrücken und dadurch die Zyklenleistung der Batterie verbessern. Dies erklärt auch, warum mit zunehmender Entladespannung der Unterschied in der Zyklenzahl zwischen Batterien mit und ohne Halterung immer kleiner wird.
Um die Veränderungen im Batteriezyklus bei unterschiedlichen Spannungen weiter zu beobachten, wurde die Batterie zerlegt und die Veränderungen in den positiven und negativen Elektrodenmaterialien beobachtet
Aus morphologischer Sicht gibt es nach Tiefentladungszyklen keinen signifikanten Unterschied zwischen den positiven und negativen Elektrodenmaterialien. Die negative Elektrode erscheint als Block, während die positive Elektrode als kleine Partikel erscheint. Das Vorhandensein oder Fehlen von Vorrichtungen hat keinen Einfluss auf die Morphologie der positiven und negativen Elektrodenmaterialien. Während des kontinuierlichen flachen Lade- und Tiefentladevorgangs können sich die Elementarzellenparameter des Materials ändern, insbesondere bei negativen Elektrodenmaterialien, was zu Änderungen im Zwischenschichtabstand führen kann.
An der negativen Elektrode wurde eine XRD-Analyse durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Abbildung dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass, obwohl die Batterie in verschiedenen Spannungsbereichen zyklisch betrieben wird, das Material der negativen Elektrode nach dem Zyklieren immer noch Graphit ist und keine anderen neuen Substanzen erzeugt werden. Innerhalb desselben Spannungsbereichs verschieben sich die charakteristischen Spitzen der negativen Elektrodenplatten (002) und (100) der klemmenfreien Batterie zu kleineren Winkeln, was darauf hindeutet, dass die Gitterparameter von Graphit zunehmen und der Abstand zwischen den Ebenen zunimmt.
Dies bedeutet, dass im Vergleich zu Batterien mit Halterungen der Graphitzwischenschichtabstand bei Batterien ohne Halterungen während des kontinuierlichen Lade- und Entladevorgangs immer größer wird. Die mikroskopischen Veränderungen in diesem Material führen zu einer stärkeren Verschlechterung der Zyklenleistung und erklären auch, warum die Zyklenleistung von Batterien mit Halterungen im gleichen Spannungsbereich deutlich besser ist als die von Batterien ohne Halterungen.
2.4 Merkmale der Änderungen der Kalenderlebensdauer nach Tiefentladung der Batterie
Zur weiteren Beobachtung der Kapazitätsänderungen des Akkus nach langfristiger Tiefentladung, der Kapazitätserhaltung und Erholung des Akkus nach Entladung auf die angegebene Spannung von 0,50V, 0,80 V, 1,50 V und 2,50 V für einen bestimmten Zeitraum untersucht.
Selbst wenn der Akku bei niedriger Spannung gelagert wird, kommt es zu keinem Kapazitätsabbau, der sich nicht wesentlich auf die Kapazität auswirkt und keinen Kapazitätsverlust durch Tiefentladung verursacht. Aus methodischer Sicht kann die Batterie nach einer Tiefentladung eine Zeit lang stehen gelassen und mit einem kleinen Strom wieder aufgeladen werden, um ihre Kapazität wiederherzustellen und zu erhalten.
3 Fazit
Basierend auf der Untersuchung der Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien, die in Rechenzentren verwendet werden, wurde der Einfluss unterschiedlicher Vorspannungskräfte auf die Tiefentladung untersucht. Die Ergebnisse zeigten Folgendes:
Durch Anwenden von zwei Arten von Vorspannkräften auf die Batterie mit und ohne Klemmen werden sechs Spannungsbereiche von {{0}}~3,65 V, 0.20~3,65 V durchlaufen , 0,50 ~ 3,65 V, 0,80 ~ 3,65 V, 1,50 ~ 3,65 V und der herkömmliche Bereich von 2,50 ~ 3,65 V, unabhängig davon, ob Es gibt eine Klemme. Je niedriger die Entlade-Abschaltspannung der Batterie ist, desto schneller nimmt die Kapazität ab. In praktischen Anwendungen sollten langfristige Niederspannungszyklen so weit wie möglich vermieden werden, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.
Vorrichtungen können die Zyklenleistung von Batterien verbessern, ihre Wirkung lässt jedoch mit zunehmender Entlade-Abschaltspannung nach. Die Ergebnisse von EIS, XRD und anderen Tests zeigen, dass die Vorrichtung die Stabilität der aktiven Materialien der positiven und negativen Elektrode während des Zyklierens gewährleisten, Lücken an den Elektrodenschnittstellen verringern, die Kontaktfläche vergrößern, den ohmschen Widerstand verringern, den Li+-Transportweg verkürzen und aktives Lithium reduzieren kann Verlust, reduzieren irreversible Ausdehnung der Batterie und verbessern die Batteriezyklusleistung. Die experimentellen Ergebnisse sind von entscheidender Bedeutung für das Design von Batteriebaugruppen, und es wird empfohlen, dass zukünftige Forscher über ein straffes Baugruppendesign nachdenken, um die Batterieleistung zu verbessern.
Nach längerer Lagerung in unterschiedlichen Überentladespannungsbereichen verringert sich die Batteriekapazität nicht mit der Verringerung der Entlade-Abschaltspannung. Eine kleine Stromauffüllung kann die Kapazität aufrechterhalten und wiederherstellen. Dies bietet eine Lösung für das Problem der verminderten Batterieleistung nach längerer Lagerung.