(функция(w,d,s,l,i){w[l]=w[l]||[];w[l].push({'gtm.start': new Date().getTime() ,event:'gtm.js'});var f=d.getElementsByTagName(s)[0], j=d.createElement(s),dl=l!='dataLayer'?'&l='+l:' ';j.async=true;j.src= 'https://www.googletagmanager.com/gtm.js?id='+i+dl;f.parentNode.insertBefore(j,f); })(терезе ,документ,'скрипт','dataLayer','GTM-5FPJ7HX');
Home / Blog / Батарея жөнүндө билим / Эмне үчүн литий темир фосфат батареясы иштебей калат?

Эмне үчүн литий темир фосфат батареясы иштебей калат?

19 Oct, 2021

By hoppt

Литий темир фосфат батареяларынын иштебей калышынын себебин же механизмин түшүнүү батареянын иштешин жана анын масштабдуу өндүрүшүн жана колдонулушун жакшыртуу үчүн абдан маанилүү. Бул макалада кирлердин, калыптандыруу ыкмаларынын, сактоо шарттарынын, кайра иштетүүнүн, ашыкча заряддын жана ашыкча разряддын батареянын иштебей калышына тийгизген таасири талкууланат.

1. Өндүрүш процессиндеги ийгиликсиздик

Өндүрүш процессинде персонал, жабдуулар, чийки заттар, ыкмалар жана айлана-чөйрө продукциянын сапатына таасир этүүчү негизги факторлор болуп саналат. LiFePO4 электр батарейкаларын өндүрүү процессинде кызматкерлер жана жабдуулар башкаруунун чөйрөсүнө кирет, ошондуктан биз негизинен акыркы үч эффект факторун талкуулайбыз.

Активдүү электрод материалындагы ыпластык батареянын иштебей калышына алып келет.

LiFePO4 синтези учурунда Fe2O3 жана Fe сыяктуу аз сандагы аралашмалар болот. Бул аралашмалар терс электроддун бетинде азаят жана диафрагманы тешип, ички кыска туташууну пайда кылышы мүмкүн. LiFePO4 узак убакыт бою абада турганда, нымдуулук батареяны начарлатат. Картаюунун алгачкы этабында материалдын бетинде аморфтук темир фосфаты пайда болот. Анын жергиликтүү курамы жана түзүлүшү LiFePO4(OH) га окшош; OH киргизүү менен LiFePO4 үзгүлтүксүз керектелет, Көлөмдүн көбөйүшү менен көрүнөт; кийин акырындык менен кайрадан кристаллдашып, LiFePO4(OH) пайда болот. LiFePO3 курамындагы Li4PO4 аралашмасы электрохимиялык инерттүү. Графит анодунун аралашмасы канчалык жогору болсо, кубаттуулуктун кайтарылгыс жоготуусу ошончолук чоң болот.

калыптандыруу ыкмасы менен шартталган батареянын иштебей калышы

Активдүү литий иондорунун кайтарылгыс жоготуусу алгач катуу электролит аралык мембрананы түзүүдө керектелген литий иондорунда чагылдырылат. Изилдөөлөр пайда болгон температураны жогорулатуу литий иондорунун кайтарылгыс жоготууга алып келерин аныкташкан. Формациялык температура жогорулаганда SEI пленкасындагы органикалык эмес компоненттердин үлүшү көбөйөт. ROCO2Li органикалык бөлүгүнөн Li2CO3 органикалык эмес компонентине айлануу учурунда бөлүнүп чыккан газ SEI пленкасында көбүрөөк кемчиликтерди жаратат. Бул кемчиликтер менен чечилген литий иондорунун көп саны терс графит электродуна киргизилет.

Түзүү учурунда аз токтун заряддоосунан пайда болгон СЭИ пленкасынын курамы жана калыңдыгы бирдей, бирок көп убакытты талап кылат; жогорку ток кубаттоо кошумча реакциялардын пайда болушуна алып келет, натыйжада литий-иондун кайтарылгыс жоготуусу көбөйөт жана терс электроддун интерфейсинин импедансы да жогорулайт, бирок ал убакытты үнөмдөйт. убакыт; Азыркы учурда, кичине токтун туруктуу ток-чоң токтун туруктуу ток жана туруктуу чыңалуу түзүү режими көбүрөөк колдонулат, ошондуктан ал экөөнүн тең артыкчылыктарын эске алат.

Өндүрүш чөйрөсүндөгү нымдуулуктан улам батареянын иштебей калышы

Иш жүзүндө өндүрүштө, батарейка сөзсүз түрдө аба менен байланышат, анткени оң жана терс материалдар негизинен микрон же нано-өлчөмдүү бөлүкчөлөр жана электролитте эриткич молекулалар чоң электронегатив карбонил топторуна жана метастабилдүү көмүртек-көмүртек кош байланыштарына ээ. Баары абадагы нымдуулукту оңой сиңирип алышат.

Суу молекулалары электролиттин курамындагы литий тузу (айрыкча LiPF6) менен реакцияга кирип, электролиттерди ыдыратып, керектөөдө (PF5ти пайда кылуу үчүн ажырайт) жана HF кислоталуу затын пайда кылат. PF5 жана HF экөө тең SEI пленкасын жок кылат, ал эми HF да LiFePO4 активдүү материалынын коррозиясын шарттайт. Суу молекулалары ошондой эле литий-интеркалацияланган графит терс электродду жок кылып, SEI пленкасынын түбүндө литий гидроксиди пайда кылат. Мындан тышкары, электролитте эриген O2 да картаюусун тездетет LiFePO4 батареялары.

Өндүрүш процессинде, батарейканын иштешине таасир этүүчү өндүрүш процессинен тышкары, LiFePO4 батареясынын иштебей калышына себеп болгон негизги факторлор чийки заттардагы (анын ичинде суу) жана пайда болуу процессин камтыйт, ошондуктан тазалык материал, айлана-чөйрөнүн нымдуулугун көзөмөлдөө, пайда болуу ыкмасы ж.б. факторлор чечүүчү мааниге ээ.

2. Текчелердин бузулушу

Кубаттуу аккумулятордун иштөө мөөнөтүнүн ичинде анын көп убактысы текче абалында болот. Жалпысынан алганда, узак текче убакыттан кийин, батареянын иштеши төмөндөйт, адатта, ички каршылыктын жогорулашын, чыңалуунун төмөндөшүн жана разряддын азайышын көрсөтөт. Батареянын иштешинин начарлашына көптөгөн факторлор себеп болот, алардын ичинен температура, заряддын абалы жана убакыт эң көрүнүктүү таасир этүүчү факторлор болуп саналат.

Кассем жана башкалар. ар кандай сактоо шарттарында LiFePO4 кубаттуулук батарейкаларынын эскиришин талдоого алган. Алар карылык механизми негизинен оң жана терс электроддордун каптал реакциясы деп эсептешкен. Электролит (оң электроддун каптал реакциясы менен салыштырганда терс графит электродунун каптал реакциясы оор, негизинен эриткичтин таасиринен пайда болот. ажыроо, СЭИ пленкасынын өсүшү) активдүү литий иондорун керектейт. Ошол эле учурда, батареянын жалпы импедансы жогорулайт, активдүү литий иондорунун жоголушу батареянын эскилигине алып келет, ал калганда. LiFePO4 кубаттуулук батарейкаларынын сыйымдуулугун жоготуу сактоо температурасынын жогорулашы менен көбөйөт. Ал эми, заряддын сактагыч абалы жогорулаган сайын, кубаттуулуктун жоготуусу азыраак болот.

Grolleau жана башкалар. ошондой эле ушундай тыянакка келишти: сактоо температурасы LiFePO4 кубаттуулук батарейкаларынын эскиришине кыйла таасир этет, андан кийин заряддын сактагыч абалы жана жөнөкөй модели сунушталат. Сактоо убактысына (температура жана заряддын абалы) байланыштуу факторлордун негизинде LiFePO4 кубаттуулук батарейкасынын кубаттуулугун жоготууну алдын ала айта алат. Белгилүү SOC абалында, текче убактысы көбөйгөн сайын, графиттеги литий четине тарап, электролит жана электрондор менен комплекстүү кошулманы пайда кылат, натыйжада литий иондорунун кайтарылгыс үлүшү көбөйөт, SEI коюуланат, жана өткөргүчтүк. Азайуудан келип чыккан импеданстын көбөйүшү (органикалык эмес компоненттер көбөйүп, кээ бирлеринин кайра эрүү мүмкүнчүлүгү бар) жана электроддун бетинин активдүүлүгүнүн азайышы бирге батареянын эскиришине себеп болот.

Заряддоо абалына же разряддоо абалына карабастан, дифференциалдык сканерлөө калориметриясы бөлмө температурасынан 4°Cге чейинки температура диапазонунда LiFePO4 менен түрдүү электролиттер (электролит LiBF6, LiAsF6 же LiPF85) ортосунда эч кандай реакция тапкан жок. Бирок, LiFePO4 узак убакыт бою LiPF6 электролитине чөмүлдүрүлгөндө, ал дагы эле өзгөчө реактивдүүлүктү көрсөтөт. Интерфейс түзүү реакциясы узакка созулгандыктан, LiFePO4 бетинде бир ай чөмүлтүлгөндөн кийин электролит менен андан ары реакцияга жол бербөө үчүн пассивация пленкасы дагы деле жок.

Текче абалында сактоонун начар шарттары (жогорку температура жана заряддын жогорку абалы) LiFePO4 кубаттуулук батарейкасынын өзүн-өзү разряддоо даражасын жогорулатып, батареянын эскирүүсүн айкыныраак кылат.

3. Кайра иштетүүдөгү кемчиликтер

Батареялар көбүнчө колдонуу учурунда жылуулукту бөлүп чыгарат, ошондуктан температуранын таасири чоң. Мындан тышкары, жол шарттары, колдонуу жана айлана-чөйрөнүн температурасы ар кандай таасир этет.

Активдүү литий иондорунун жоголушу көбүнчө велосипед тебүү учурунда LiFePO4 кубаттуулук батарейкаларынын кубаттуулугун жоготот. Дубарри жана башкалар. велосипед тебүү учурунда LiFePO4 электр батарейкаларынын эскириши, негизинен, функционалдык литий-ион SEI пленкасын керектеген татаал өсүү процессине байланыштуу экенин көрсөттү. Бул процессте активдүү литий иондорунун жоголушу түздөн-түз батареянын сыйымдуулугун кармап калуу ылдамдыгын төмөндөтөт; SEI пленкасынын тынымсыз өсүшү, бир жагынан, батареянын поляризациялык каршылыгын жогорулатууга себеп болот. Ошол эле учурда SEI пленкасынын калыңдыгы өтө калың жана графит анодунун электрохимиялык көрсөткүчтөрү. Бул иш-аракетти жарым-жартылай өчүрөт.

Жогорку температурадагы цикл учурунда LiFePO2 курамындагы Fe4+ белгилүү бир деңгээлде эрийт. Эриген Fe2+ өлчөмү оң электроддун сыйымдуулугуна олуттуу таасир этпесе да, Fe2+ эритүү жана терс графит электродуна Fe чөкпөсү SEI пленкасынын өсүшүнө каталитикалык ролду ойнойт. . Тан активдүү литий иондорунун кайда жана кайда жоголгонун сандык жактан талдап чыкты жана активдүү литий иондорунун жоготууларынын көбү терс графит электродунун бетинде, айрыкча жогорку температура циклдеринде, башкача айтканда, жогорку температура циклинин кубаттуулугун жоготууда болгонун аныктады. тезирээк жана SEI тасмасы кыскача келтирилген зыяндын жана оңдоонун үч түрдүү механизми бар:

  1. Литий иондорун азайтуу үчүн графит анодундагы электрондор SEI пленкасы аркылуу өтөт.
  2. SEI пленкасынын кээ бир компоненттеринин эриши жана кайра жаралышы.
  3. Графит анодунун көлөмүнүн өзгөрүшүнө байланыштуу, SEI мембранасы жарылуу менен шартталган.

Активдүү литий иондорун жоготуудан тышкары, оң жана терс материалдар кайра иштетүү учурунда начарлайт. Кайра иштетүү учурунда LiFePO4 электродунда жаракалардын пайда болушу электроддун поляризациясынын жогорулашына жана активдүү материал менен өткөргүч агенттин же ток коллекторунун ортосундагы өткөргүчтүктүн төмөндөшүнө алып келет. Нагпур Scanning Extended Resistance Microscopy (SSRM) карыгандан кийин LiFePO4 өзгөрүшүн жарым-сандык изилдөө үчүн колдонгон жана LiFePO4 нанобөлүкчөлөрүнүн жана жер үстүндөгү кендердин чоңоюп, конкреттүү химиялык реакциялар менен бирге пайда болушу LiFePO4 катоддорунун импеданстарынын жогорулашына алып келгенин аныктаган. Мындан тышкары, активдүү графит материалынын жоголушу менен шартталган активдүү беттин азайышы жана графит электроддорунун эксфолиациясы да батареянын эскирүүсүнүн себеби болуп эсептелет. Графит анодунун туруксуздугу SEI пленкасынын туруксуздугуна алып келет жана активдүү литий иондорун керектөөгө өбөлгө түзөт.

Батареянын жогорку ылдамдыктагы разряды электр унаасы үчүн олуттуу энергияны камсыздай алат; башкача айтканда, кубаттуулук батареясынын көрсөткүчү канчалык жакшы болсо, электромобилдин ылдамдатуу көрсөткүчтөрү ошончолук жакшы болот. Ким жана башкалар изилдөө жыйынтыктары. LiFePO4 оң электрод менен графит терс электроддун карылык механизми ар кандай экенин көрсөттү: разряддын ылдамдыгынын өсүшү менен оң электроддун кубаттуулугун жоготуу терс электроддукуна караганда көбүрөөк көбөйөт. Төмөн ылдамдыктагы цикл учурунда батареянын кубаттуулугун жоготуу негизинен терс электроддо активдүү литий иондорун керектөө менен шартталган. Ал эми, жогорку ылдамдыктагы цикл учурунда батареянын кубаттуулугун жоготуу оң электроддун импеданстын жогорулашына байланыштуу.

Колдонулуп жаткан кубаттуулук батареясынын разряддын тереңдиги кубаттуулуктун жоголушуна таасирин тийгизбесе да, анын кубаттуулугун жоготууга таасирин тийгизет: разряддын тереңдигинин өсүшү менен кубаттуулукту жоготуу ылдамдыгы жогорулайт. Бул SEI пленкасынын импедансынын жогорулашына жана бүт батарейканын импедансынын жогорулашына байланыштуу. Бул түздөн-түз байланыштуу. Активдүү литий иондорунун жоголушуна карабастан, заряддоо чыңалуусунун жогорку чеги батареянын иштебей калышына эч кандай таасир этпейт, заряддоо чыңалуусунун өтө төмөн же өтө жогору жогорку чеги LiFePO4 электродунун интерфейсинин импедансын жогорулатат: төмөнкү жогорку чек чыңалуу жакшы иштебейт. Жерде пассивация пленкасы пайда болот жана өтө жогорку чыңалуу чеги электролиттин кычкылдануучу ажыроосуна алып келет. Ал LiFePO4 электродунун бетинде өткөргүчтүгү төмөн продуктуну жаратат.

LiFePO4 кубаттуулук батареясынын разряд сыйымдуулугу температура төмөндөгөндө, негизинен ион өткөрүмдүүлүктүн төмөндөшүнөн жана интерфейстин импеданстын жогорулашынан улам тез төмөндөйт. Ли LiFePO4 катоду менен графит анодун өз-өзүнчө изилдеп чыгып, анод менен аноддун төмөнкү температурада иштөөсүн чектеген негизги башкаруу факторлору ар башка экендигин аныктады. LiFePO4 катодунун иондук өткөргүчтүгүнүн төмөндөшү басымдуулук кылат, ал эми графит анодунун интерфейстик импедансынын жогорулашы негизги себеп болуп саналат.

Колдонуу учурунда LiFePO4 электродунун жана графит анодунун бузулушу жана SEI пленкасынын үзгүлтүксүз өсүшү батареянын ар кандай деңгээлде иштебей калышына алып келет. Мындан тышкары, жол шарттары жана айлана-чөйрөнүн температурасы сыяктуу көзөмөлдөнбөгөн факторлордон тышкары, батарейканы үзгүлтүксүз колдонуу да маанилүү, анын ичинде тийиштүү заряддоо чыңалуусу, разряддын тиешелүү тереңдиги ж.б.

4. заряддоо жана заряддоо учурунда иштебей калуу

Батарея көп учурда колдонуу учурунда сөзсүз ашыкча заряддалат. Ашыкча разряд азыраак болот. Ашыкча заряддоо же ашыкча разряд учурунда бөлүнүп чыккан жылуулук батареянын ичинде топтолуп, батареянын температурасын андан ары жогорулатат. Бул батареянын иштөө мөөнөтүнө таасирин тийгизип, өрт же бороондун жарылуу ыктымалдыгын жогорулатат. Кадимки заряддоо жана кубаттоо шарттарында да, циклдердин саны көбөйгөн сайын, батарейка системасындагы жалгыз клеткалардын сыйымдуулугунун дал келбестиги көбөйөт. Эң аз кубаттуулугу бар аккумулятор заряддоо жана ашыкча кубаттоо процессинен өтөт.

LiFePO4 ар кандай заряддоо шарттарында башка оң электрод материалдарына салыштырмалуу эң жакшы жылуулук туруктуулугуна ээ болсо да, ашыкча заряддоо LiFePO4 кубаттуулук батарейкаларын колдонууда кооптуу тобокелдиктерди жаратышы мүмкүн. Ашыкча заряддалган абалда органикалык электролиттеги эриткич кычкылданууга көбүрөөк жакын болот. Көбүнчө колдонулган органикалык эриткичтердин арасында этилен карбонаты (EC) оң электроддун бетинде кычкылдануучу ажыроого учурайт. Терс графит электроддун литийди киргизүү потенциалы (литий потенциалына каршы) тайыз болгондуктан, терс графит электродунда литийдин чөгүшү өтө ыктымал.

Ашыкча заряддалган шарттарда батареянын иштебей калышынын негизги себептеринин бири литий кристаллынын бутактары диафрагманы тешип кеткен ички кыска туташуу болуп саналат. Лу жана башкалар. ашыкча заряддан улам келип чыккан графиттин карама-каршы электроддун бетине литий каптоонун бузулуу механизмин талдады. Натыйжалар терс графит электроддун жалпы структурасы өзгөргөн жок, бирок литий кристалл бутактары жана беттик пленка бар экенин көрсөтүп турат. Литий менен электролиттин реакциясы беттик пленканын тынымсыз көбөйүшүнө алып келет, ал активдүү литийди керектеп, литийдин графитке диффузияланышын шарттайт. Терс электрод татаалыраак болуп калат, бул терс электроддун бетинде литийдин катмарлануусуна дагы өбөлгө түзөт, натыйжада кубаттуулугу жана кулондук эффективдүүлүгү дагы төмөндөйт.

Мындан тышкары, металл аралашмалары (айрыкча, Fe) жалпысынан батареянын ашыкча заряддалбай калышынын негизги себептеринин бири болуп эсептелет. Xu жана башкалар. системалуу түрдө ашыкча заряд шарттарында LiFePO4 батареяларынын иштебей калуу механизмин изилдеген. Натыйжалар ашыкча заряд/разряд циклинин учурунда Fe-нын тотықсыздануусу теориялык жактан мүмкүн экендигин көрсөтүп, реакциянын механизми келтирилген. Ашыкча заряд пайда болгондо Fe адегенде Fe2+ чейин кычкылданат, Fe2+ андан ары Fe3+ чейин начарлайт, андан кийин оң электроддон Fe2+ жана Fe3+ чыгарылат. Бир жагы терс электрод тарапка тарайт, Fe3+ акыры Fe2+ чейин төмөндөйт, Fe2+ андан ары кыскарып, Fe пайда кылат; ашыкча заряддоо/разряддоо циклдери болгондо, Fe кристалл бутактары бир эле учурда оң жана терс электроддордо башталат, Fe көпүрөлөрүн түзүү үчүн сепараторду тешип, микро батареянын кыска туташууларына алып келет, батареянын микро кыска туташууларын коштогон көрүнгөн көрүнүш - үзгүлтүксүз ашыкча заряддалгандан кийин температуранын жогорулашы.

Ашыкча заряддоо учурунда терс электроддун потенциалы тез көтөрүлөт. Потенциалдуу көбөйүү терс электроддун бетиндеги SEI пленкасын жок кылат (SEI пленкасындагы органикалык эмес кошулмаларга бай бөлүгү кычкылдануу ыктымалдыгы жогору), бул электролиттин кошумча ажыроосуна алып келет, натыйжада кубаттуулукту жоготот. Андан да маанилүүсү, терс учурдагы коллектор Cu фольга кычкылданат. Терс электроддун SEI тасмасында Янг ж.б. Cu2O, Cu фольгасынын кычкылдануу продуктусун аныктады, ал аккумулятордун ички каршылыгын жогорулатып, бороондун кубаттуулугун жоготот.

Ал жана башкалар. LiFePO4 кубаттуу батареяларынын ашыкча разряд процессин деталдуу изилдеген. Натыйжалар көрсөткөндөй, терс ток коллекторунун Cu фольгасы ашыкча разряд учурунда Cu+ чейин кычкылданышы мүмкүн, ал эми Cu+ андан ары Cu2+ чейин кычкылданат, андан кийин алар оң электродго диффузияланат. Оң электроддо калыбына келтирүү реакциясы пайда болушу мүмкүн. Ошентип, ал оң электрод тарабында кристалл бутактарын пайда кылып, сепараторду тешип, батареянын ичинде микро кыска туташууну пайда кылат. Ошондой эле, ашыкча разряддан улам, батареянын температурасы жогорулай берет.

LiFePO4 батареясынын ашыкча заряды кычкылдануучу электролиттин ажыроосуна, литийдин эволюциясына жана Fe кристаллынын бутактарынын пайда болушуна алып келиши мүмкүн; ашыкча разряд SEI бузулушуна алып келиши мүмкүн, натыйжада кубаттуулуктун начарлашына, Cu фольгасынын кычкылданышына жана ал тургай Cu кристалл бутактарынын көрүнүшүнө алып келет.

5. башка кемчиликтер

LiFePO4тун мүнөздүү төмөн өткөргүчтүгүнө байланыштуу, материалдын өзүнүн морфологиясы жана өлчөмү жана өткөргүчтөрдүн жана байланыштыргычтардын таасири оңой көрүнөт. Gaberscek жана башкалар. өлчөмү жана көмүртек каптоо эки карама-каршы факторлорду талкуулады жана LiFePO4 электроддук импеданс гана орточо бөлүкчөлөрдүн өлчөмү менен байланышкан деп табылган. LiFePO4 (Fe Li сайттарды ээлейт) анти-сайт кемчиликтери батареянын иштөөсүнө өзгөчө таасирин тийгизет: LiFePO4 ичиндеги литий иондорунун берүү бир өлчөмдүү болгондуктан, бул кемчилик литий иондорунун байланышына тоскоол болот; жогорку валенттүү абалдардын киргизилишине байланыштуу Кошумча электростатикалык түртүүнүн натыйжасында бул кемчилик LiFePO4 структурасынын туруксуздугун да жаратышы мүмкүн.

LiFePO4 чоң бөлүкчөлөрү заряддын аягында толугу менен кубана албайт; наноструктуралуу LiFePO4 инверсиялык кемчиликтерди азайта алат, бирок анын беттик жогорку энергиясы өзүн-өзү разрядга алып келет. PVDF азыркы кезде эң көп колдонулган туташтыргыч болуп саналат, анын жогорку температурада реакциясы, суусуз электролитте эрүү жана жетишсиз ийкемдүүлүк сыяктуу кемчиликтери бар. Бул LiFePO4 кубаттуулугун жоготууга жана цикл жашоосуна өзгөчө таасирин тийгизет. Мындан тышкары, учурдагы коллектор, диафрагма, электролит курамы, өндүрүш процесси, адам факторлору, тышкы титирөө, сокку ж.

Шилтеме: Miao Meng et al. «Литий-темир-фосфат электр батарейкаларынын иштен чыгышы боюнча илимий-изил-деелердун журушу».

жакын_ак
жакын

Бул жерге суроо жаз

6 сааттын ичинде жооп бериңиз, бардык суроолоруңуз кабыл алынат!