מדוע סוללות ליתיום-יון פריקה עצמית, כיצד מודדים פריקה עצמית?

תגובת השחרור העצמי שלסוללת ליתיום יוןבלתי נמנע. קיומה לא רק מוביל להפחתת קיבולת עצמה של הסוללה&# 39, אלא גם משפיע ברצינות על הרכבה וחיי המחזור של סוללה' שיעור הפריקה העצמית של סוללות ליתיום-יון הוא בדרך כלל 2% עד 5% לחודש, שיכולים לעמוד במלואו בדרישות השימוש של תאים בודדים.

עם זאת, ברגע שמורכבת סוללת הליתיום הבודדת למודול, המאפיינים של כל סוללת ליתיום יחידה אינם עקביים לחלוטין, כך שאחרי כל טעינה ופריקה, מתח המסוף של כל סוללת ליתיום יחידה לא יכול להגיע לעקביות מלאה, מה שיגרום אם טעינה יתר על המידה או שמופיעים בתאים מודגניים יתר, הביצועים של סוללת הליתיום התא יתדרדרו. ככל שמספר הטעינה והפריקה יגדל, מידת ההידרדרות תוחמר עוד יותר, וחיי המחזור יצטמצמו מאוד בהשוואה לתאים בודדים שלא הורכבו. לפיכך, מחקר מעמיק בנושא קצב הפריקה העצמית של סוללות ליתיום-יון הוא צורך דחוף בייצור סוללות.

1

גורמים המשפיעים על שחרור עצמי

תופעת הפריקה העצמית של הסוללה מתייחסת לתופעה של אובדן ספונטני של קיבולת הסוללה כאשר היא נותרה במעגל פתוח, והיא נקראת גם כושר שמירת הטעינה. בדרך כלל ניתן לחלק פריקה עצמית לשני סוגים: פריקה עצמית הפיכה ופריקה עצמית בלתי הפיכה. ניתן לפצות את כושר ההפסד באופן הפיך עבור פריקה עצמית הפיכה, העיקרון דומה לתגובת פריקת הסוללה הרגילה. השחרור העצמי שלא ניתן לפצות על אובדן הקיבולת הוא פריקה עצמית בלתי הפיכה. הסיבה העיקרית היא שתגובה בלתי הפיכה התרחשה בתוך הסוללה, כולל התגובה של האלקטרודה החיובית והאלקטרוליט, תגובת האלקטרודה השלילית והאלקטרוליט, התגובה שנגרמה על ידי הזיהום באלקטרוליט וזמן הייצור. תגובות בלתי הפיכות הנגרמות על ידי מעגלים קצרים של מיקרו הנגרמים על ידי זיהומים שנשאו. הגורמים המשפיעים על השחרור העצמי הם כדלקמן.

1 חומר קתודה

ההשפעה של חומר האלקטרודה החיובית היא בעיקר בכך שמתכת המעבר והזיהום של חומר האלקטרודה החיובי מושקעים באלקטרודה השלילית בכדי לגרום לקצר פנימי, ובכך להגדיל את הפריקה העצמית של סוללת הליתיום. Yah-Mei Teng et al. חקר את התכונות הפיזיקליות והאלקטרוכימיות של שני חומרים קתודה של LiFePO4. המחקר מצא כי לסוללות עם תכולת טומאת ברזל גבוהה בחומרי הגלם ובזמן הטעינה והפריקה יש קצב פריקה עצמית גבוה ויציבות ירודה. הסיבה היא שברזל מצמצם ויוצא בהדרגה באלקטרודה השלילית, מנקב את המפריד וגורם לקצר בסוללה, וכתוצאה מכך לפריקה עצמית גבוהה יותר.

2 חומר אנודה

ההשפעה של חומר האלקטרודה השלילי על הפריקה העצמית נובעת בעיקר מהתגובה הבלתי הפיכה בין חומר האלקטרודה השלילי לבין האלקטרוליט. כבר בשנת 2003, אורבך ואח '. הציע להפחית את האלקטרוליט לשחרור גז, תוך חשיפת פני הגרפיט לאלקטרוליט. בתהליך הטעינה והפריקה, כאשר מכניסים ומוצאים יוני ליתיום, מבנה שכבת הגרפיט נפגע בקלות, והתוצאה היא קצב פריקה עצמית גדול.

3 אלקטרוליט

השפעת האלקטרוליט כוללת בעיקר: קורוזיה של פני האלקטרודה השלילית על ידי האלקטרוליט או זיהומים; פירוק חומר האלקטרודה באלקטרוליט; האלקטרודה מכוסה במוצק בלתי מסיס או בגז שמתפרק על ידי האלקטרוליט ליצירת שכבת פסיבציה. נכון לעכשיו, מספר גדול של חוקרים מוקדש לפיתוח תוספים חדשים לדיכוי השפעת האלקטרוליט על הפריקה עצמית. יוני ליו ואח '. הוסיפו תוספים כמו VEC לאלקטרוליט הסוללה NCM111, ומצאו כי ביצועי מחזור הטמפרטורה הגבוהה של הסוללה G39 # 39 השתפרו וקצב הפריקה העצמית בדרך כלל ירד. הסיבה היא שתוספים אלה יכולים לשפר את הסרט SEI, ובכך להגן על האלקטרודה השלילית של הסוללה.

4 מצב אחסון

הגורמים המשפיעים הכלליים על מצב האחסון הם טמפרטורת האחסון ו- SOC של הסוללה. באופן כללי, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר וה- SOC גבוה יותר, כך הפריקה העצמית של הסוללה גבוהה יותר. Takashi et al. ביצעו ניסויים להתפרקות קיבולת על סוללות ליתיום ברזל פוספט בתנאים סטטיים. התוצאות מראות שככל שהטמפרטורה עולה, קצב שמירת הקיבולת יורד בהדרגה עם זמן המדף, וקצב הפריקה העצמית של הסוללה עולה.

ליו יונג'יאן ואחרים השתמשו בסוללת כוח ליתיום מנגנט מסחרית וגילו שככל שמצב הטעינה של הסוללה&# 39 גדל, הפוטנציאל היחסי של האלקטרודה החיובית התגבר וגבה, וכושר החמצון שלו התחזק והתחזק; הפוטנציאל היחסי של האלקטרודה השלילית נעשה נמוך יותר ונמוך, ההפחתה שלו הולכת ומתחזקת, שניהם יכולים להאיץ את המשקעים של Mn, מה שמוביל לעלייה בקצב ההפרשה העצמית.

5 גורמים אחרים

ישנם גורמים רבים המשפיעים על קצב הפריקה העצמית של הסוללה. בנוסף לאלה שהוצגו לעיל, יש בעיקר את ההיבטים הבאים: במהלך תהליך הייצור, הקווים הנוצרים כשחותכים את חלקי המוט, והזיהומים המוכנסים לסוללה בגלל בעיות בסביבת הייצור, כמו אבק, אבקת מתכת על חלקי המוט וכו 'עלולים לגרום לקצר מיקרו קצר יותר של הסוללה; הסביבה החיצונית לחה, המעגל החיצוני אינו מבודד לחלוטין, ובמארז הסוללות יש בידוד לקוי. יש מעגל אלקטרוני חיצוני במהלך האחסון, מה שמוביל לפריקה עצמית; במהלך האחסון לטווח הארוך, ההתקשרות בין החומר הפעיל של חומר האלקטרודה לקולט הזרם נכשלת, וכתוצאה מכך שפיכת החומר הפעיל וקילוףו, מה שמוביל לירידה בקיבולת ולעלייה בפריקה העצמית. כל אחד מהגורמים הנ"ל או שילוב של מספר גורמים יכולים לגרום להתנהגות הפריקה העצמית של סוללת הליתיום, דבר שמקשה על איתור הגורם לפריקה עצמית ולהערכת ביצועי האחסון של הסוללה.

2

שיטת מדידה של קצב פריקה עצמית

ניתן לדעת מהניתוח שלעיל שקצב הפריקה העצמית של סוללות ליתיום בדרך כלל נמוך. קצב ההפרשות העצמי עצמו מושפע מגורמים כמו טמפרטורה, מספר מחזורי השימוש ו- SOC. לפיכך, קשה מאוד וגוזל זמן למדוד במדויק את הפריקה העצמית של הסוללה.

1 שיטת מדידה מסורתית של קצב פריקה עצמית

נכון לעכשיו, שיטות הגילוי הפריקה העצמית המסורתיות הן כדלקמן:

1.1 שיטת מדידה ישירה

ראשית, טען את הסוללה הנבדקת למצב טעינה מסוים, ושמור אותה פתוחה לפרק זמן, ואז פרוק את הסוללה כדי לקבוע את אובדן הקיבולת של הסוללה. קצב פריקה עצמית:

בנוסחה: C הוא הקיבולת המדורגת של הסוללה; C1 הוא כושר הפריקה. לאחר השארת המעגל פתוח, ניתן להשיג את קיבולת הסוללה שנותרה על ידי פריקת הסוללה. בשלב זה, הסוללה נטענת ונפרקת מספר פעמים כדי לקבוע את מלוא הקיבולת של הסוללה. שיטה זו יכולה לקבוע את אובדן הקיבולת הבלתי הפיך ואת אובדן הקיבולת הפיכה של הסוללה.

1.2 שיטת מדידת קצב ניכוח מתח במעגל פתוח

מתח המעגל הפתוח קשור ישירות למצב הטעינה SOC של' הוא צריך רק למדוד את קצב השינוי של ה- OCV של הסוללה' לפרק זמן, כלומר:

השיטה היא פשוטה להפעלה, ורק צריכה לרשום את מתח הסוללה בכל פרק זמן כלשהו ואז ניתן להשיג את מצב הטעינה של הסוללה ברגע זה על פי הקשר המתאים בין המתח לסוללה SOC . באמצעות חישוב שיפוע ההתפרקות של המתח ויכולת הריקבון המתאימה לזמן היחידה, ניתן סוף סוף להשיג את קצב הפריקה העצמית של הסוללה.

1.3 שיטת אחזקת קיבולת

מדדו את מתח המעגל הפתוח הרצוי של&# 39 או את כמות הכוח הנדרשת על ידי ה- SOC כדי להשיג את קצב ההפרשה העצמית של' כלומר, זרם הטעינה כאשר נמדד מתח המעגל הפתוח של הסוללה נשמר, וניתן לראות את קצב הפריקה העצמית של הסוללה כזרם הטעינה הנמדד.

2 שיטת מדידה מהירה של קצב פריקה עצמית

מכיוון ששיטת המדידה המסורתית אורכת זמן רב ודיוק המדידה אינו מספיק, קצב הפריקה העצמית משמש רק כשיטה להקרנת הסוללה בתהליך איתור הסוללה ברוב המקרים. הופעתם של מספר רב של שיטות מדידה חדשות וחדישות ונוחות חוסכת זמן רב ומאמץ למדידת פריקה עצמית של הסוללה.

2.1 טכנולוגיית בקרה דיגיטלית

טכנולוגיית בקרה דיגיטלית היא שיטת מדידה של פריקה עצמית חדשה הנגזרת משיטת המדידה המסורתית של פריקה עצמית באמצעות מחשב מיקרו עם שבב יחיד וכן הלאה. לשיטה זו יתרונות של זמן מדידה קצר, דיוק גבוה וציוד פשוט.

2.2 שיטת מעגל שווה

שיטת המעגל המקבילה היא שיטת מדידה של פריקה עצמית חדשה לגמרי. שיטה זו מדמה את הסוללה כמעגל שווה ערך, שיכול למדוד במהירות וביעילות את קצב הפריקה העצמית של סוללת הליתיום-יון.

3

חשיבות מדידת קצב ההפרשה העצמית

כאינדקס ביצועים חשוב של סוללות ליתיום-יון, לשיעור ההפרשה העצמית יש השפעה חשובה על בחירת וקיבוץ הסוללות. לפיכך, יש לכך משמעות מרחיקת לכת למדידת קצב הפריקה העצמית של סוללות ליתיום.

1 חזה את התא הבעייתי

באותה חבורת סוללות, החומרים ובקרות הייצור הם בעצם זהים. כאשר כמובן שהפריקה הלבנה של סוללות בודדות גדולה מדי, סביר להניח שהסיבה היא קצר חשמלי מיקרו קצר בגלל זיהומים וקווים שגוררים את המפריד. מכיוון שההשפעה של המיקרו-קצר על הסוללה היא איטית ובלתי הפיכה. לכן בטווח הקצר הביצועים של מצברים כאלה לא יהיו שונים בהרבה מביצועים של סוללות רגילות, אך ככל שהתגובה הפנימית הבלתי הפיכה תעמיק בהדרגה לאחר אחסון לטווח הארוך, ביצועי הסוללה יהיו נמוכים בהרבה מביצועי המפעל שלה ואחרים. ביצועי סוללה רגילים. לכן, על מנת להבטיח את איכות סוללות המפעל, יש לבטל סוללות עם פריקה עצמית גדולה.

2 קבץ את המצברים

סוללות ליתיום צריכות עקביות טובה יותר, כולל קיבולת, מתח, התנגדות פנימית וקצב פריקה לבן. ההשפעה של קצב ההפרשה העצמית של הסוללה&# 39 על חבילת הסוללות היא בעיקר כדלקמן: לאחר הרכבת המודול, בגלל שיעורי הפריקה העצמית השונים של סוללות הליתיום הבודדות, המתח יירד בדרגות שונות. בתהליך המדפים או הרכיבה על אופניים, והטעינה בסדרה תחת הזרם, הזרם שוב יהיה שווה, כך שאחרי כל טעינה יתכנו תאים בודדים או טעונים יותר מדי במודול סוללת הליתיום. ככל שמספר הטעינה והפריקה יגדל, ביצועי הסוללה ידרדרו בהדרגה, ואורך חיי המחזור בהשוואה לתאים בודדים שלא הורכבו, הוא ירד משמעותית. לפיכך, הרכבת סוללות דורשת מדידה והקרנה מדויקות של קצב הפריקה העצמית של סוללות ליתיום-יון.

3 תיקון אומדן SOC של סוללות

מצב הטעינה נקרא גם הקיבולת שנותרה, המייצגת את היחס בין הקיבולת שנותרה לאחר השימוש בסוללה במשך תקופת זמן או שאינה בשימוש ארוך טווח והיכולת שלה טעונה במלואה, בדרך כלל מבוטאת כאחוז. לקצב הפריקה העצמית ערך ייחוס חשוב להערכת SOC של סוללות ליתיום-יון. תיקון הערך ההתחלתי של SOC באמצעות זרם פריקה עצמית יכול לשפר את הדיוק של אומדן SOC. מצד אחד, עבור הלקוח, ניתן להעריך את זמן השימוש או מרחק הנהיגה של המוצר על סמך הכוח שנותר; מצד שני, ניתן לשפר ביעילות את הדיוק בחיזוי SOC של BMS למניעת טעינת יתר של הסוללה. פריקה יתר, ובכך מאריכה את חיי הסוללה.