1 Eksperiment
1.1 Priprema baterije
Pomiješajte pozitivnu elektrodu DY{{0}} litijum željezo fosfat, provodljivo sredstvo Super P i vezivo PVDF5130 u masenom omjeru 94,0:2,5:3,5, dodajte rastvarač NMP i miješajte 5 sati da se dobije kaša sa sadržajem čvrste supstance od (60,0 ± 1,5)% i viskoznošću od 8000mPa · s. Nanesite suspenziju na aluminijsku foliju debljine 16 μm sa površinskom gustinom (330 ± 3) g/m2. Nakon pečenja u vakuumu na 85 stepeni u trajanju od 12 sati, valjanjem pritisnuti elektrodu do zbijene gustine od 2,20g/cm3 i dobiti pozitivnu elektrodu veličine 124mm × 121mm.
Pomiješajte negativni grafit, provodnu čađu Super P i LA133 akrilonitril u masenom omjeru 95,5:1.0:3,5, pripremite suspenziju koristeći dejoniziranu vodu kao rastvarač i premažite je na 8 μm debljine bakarna folija sa površinskom gustinom (160 ± 2) g/m2. Osušite ga i valjajte ga pritisnite kao pozitivnu elektrodu da postignete zbijenu gustoću od 1,45 g/cm3 i dobijete negativnu elektrodu veličine 130 mm × 127 mm.
Nakon slaganja pozitivnih i negativnih elektroda, 36130145 aluminijumska LFP litijum-jonska puna baterija sa nazivnim kapacitetom od 60Ah pripremljena je kapsuliranjem sa aluminijumskim poklopcem. Nakon pečenja na 85 stepeni u trajanju od 12 sati, ubrizgan je elektrolit. Pripremljena baterija prolazi kroz hemijsku transformaciju i podelu kapaciteta. Koraci formiranja: Punite na 0.05C 80min, zatim punite na 0.10C 150min, sa maksimalnim naponom punjenja od 3.65V. Korak podjele kapaciteta: Ostavite ga na 45 stepeni 12 sati da odleži, a zatim ga ispraznite na 0,20C uz donji granični napon od 2,50V.
1.2 Morfologija i analiza strukture
Promatrajte mikrostrukturu materijala pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa. Koristite rendgenski difraktometar za analizu strukturnih promjena materijala.
1.3 Ispitivanje elektrohemijskih performansi
Testirajte EIS baterije pomoću elektrohemijske radne stanice. Koristite visokoprecizan tester baterije da testirate performanse baterije, s rasponom od 5V i 100~50{{10}}A. Konvencionalna metoda testiranja kapaciteta: Punjenje konstantnom strujom od 1.00C do 3.65V, zatim prebacivanje na konstantan napon i punjenje dok se ne dostigne 0.05C; Ostavite da odstoji 0,5 sati, ispraznite na 1,00C do 2,50V, ostavite da odstoji 0,5 sati, ciklus 3 puta.
Metoda testiranja ciklusa baterije: Punite konstantnom strujom od 1.00C do 3,65V, zatim pređite na punjenje konstantnim naponom do 0.05C isključenja. Pražnjenje na 1.00C, 2.{{10}}C i 5.00C do 2,50V, ponovite ciklus, pustite sjedite {{30}}.5 sati u sredini, dok se ne okrene 1000 puta. Metoda ispitivanja prekomjernog pražnjenja baterije: Referentna brzina pražnjenja je 1.00C za punjenje i 1.00C za pražnjenje, a naponi prekomjernog pražnjenja su 0-3.65V, 0.20-3.65V, 0.50-3.65V, 0.80-3.65V i 1.50-3.65V, respektivno. Konvencionalni napon je 2,50~3,65V. Učvršćenje se koristi za primjenu sile prethodnog zatezanja od (1400 ± 200) N na ravninu ćelije baterije; Bez učvršćenja znači primjenu sile prednaprezanja od 0N na ćeliju baterije.
Metoda testiranja vijeka trajanja baterije: ① Punite na 0.50C konstantnom strujom na 3.65V, prebacite na punjenje konstantnim naponom na 0.05C prekid , ostavite da odstoji 0.5h, pražnjenje na 78{{20}}W do 2,50V, rekordni kapacitet 1; ② Ostavite sa strane 0.5 sati, punite 3,65V na 0.50C konstantnom strujom, prebacite na punjenje konstantnim naponom do 0.05C prekida, ostaviti na stranu 0,5 sati, isprazniti na specificirani napon (1,50V, 0,80V, 0,50V) na 780W, ostaviti po strani za specificiranu vrijeme, napuniti 3,65V pri 0,10C konstantne struje, prebaciti na punjenje konstantnim naponom do prekida od 0,05C, ostaviti po strani 0,5 sati, i isprazniti na 2,50V pri 780W, zabilježiti kapacitet pražnjenja 2; ③ Ponovite korak 1, zabilježite kapacitet pražnjenja 3 i ponovite korake 1 do 3. Među njima, omjer kapaciteta 2 prema kapacitetu 1 je stopa zadržavanja, a omjer kapaciteta 3 prema kapacitetu 1 je stopa oporavka.
2 Rezultati i diskusija
2.1 Performanse ciklusa pri različitim uvećanjima
Eksperiment je sproveden na bazi baterije koja se koristi u data centru, a performanse ciklične brzine baterije prikazane su na slici 1. Sa slike se vidi da sa istom brzinom punjenja, nakon 2{{3 }}0 ciklusa pražnjenja na 2.00C i 5.00C, kapacitet se smanjuje za 14% odnosno 20%. U poređenju sa ciklusom pražnjenja od 1,00C, kapacitet se smanjuje za 12%, što je manje za 2 odnosno 8 procentnih poena. Iz perspektive performansi biciklizma, baterije imaju karakteristiku dugotrajnog bicikliranja.
2.2 Karakteristike performansi ciklusa prekomjernog pražnjenja u različitim naponskim rasponima
Da bi se proučavale karakteristike prekomjernog pražnjenja aluminijskih baterija u različitim rasponima napona, provedena su kontinuirana ciklusna ispitivanja na baterijama, pri čemu su varijable bili raspon napona i stanje baterije tokom ciklusa: sa ili bez učvršćenja. Označite baterije odvojeno i pogledajte Tabelu 1 za promjene i početno stanje baterija. Stanje napunjenosti (SOC) baterija je 30%. Od početnog napona, unutrašnjeg otpora i debljine 12 grupa baterija navedenih u Tabeli 1 pri 30% SOC, konzistencija eksperimentalnih baterija je dobra.
Izvršite kontinuirano ciklično testiranje na bateriji, a kriva slabljenja prikazana je na slici ispod. Može se vidjeti da kada baterija nema učvršćenje, performanse baterije se postupno pogoršavaju kako se stepen prekomjernog pražnjenja povećava. Kada su naponi prekida pražnjenja baterije 2,50V, 1,50V, 0.80V, 0,50V, 0,20V i 0V, broj ciklusa i zadržavanje kapaciteta baterije su 94,07% nakon 1000 ciklusa, 80,00% nakon 1000 ciklusa, 74,93% nakon 648 ciklusa, 67,72% nakon 360 ciklusa, 63,26% nakon 119 ciklusa i 61,85% nakon 145 ciklusa, respektivno.
Kada se donji granični napon smanji za 1.00V (sa 2,50V na 1,50V), stopa slabljenja se povećava za 14% pod istim brojem ciklusa; Kada se donji granični napon smanji za 1,70V (sa 2,50V na 0,80V), životni vijek ciklusa je samo 648 puta; A kada se baterija isprazni na 0V, životni vijek ciklusa pada na 145 puta. Smanjenje donjeg graničnog napona pražnjenja ima značajan uticaj na životni vijek baterije. Proširivanje raspona napona punjenja i pražnjenja baterije može povećati njen kapacitet, na primjer kada se napon promijeni sa 2,50~3,65V na 0~3,65V. Kapacitet baterije je povećan za 4 Ah.
Čak i sa uređajima, baterije pokazuju iste performanse kao i bez uređaja. Što je niži napon pražnjenja baterije, kraći je vijek trajanja. Pri graničnim naponima pražnjenja od 2,50V, 1,50V, 0,80V, 0,50V, 0,20V i 0V, broj ciklusa i stope zadržavanja baterije su 96,03% nakon 1000 ciklusa, 86,73% nakon 928 ciklusa, 84,46% nakon 733 ciklusa, 81,95% nakon 741 ciklusa, 61,28% nakon 598 ciklusa i 60,08% nakon 647 ciklusa, respektivno.
2.3 Karakteristike performansi ciklusa prekomjernog pražnjenja pod različitim silama prednaprezanja
Što je dublji stepen prekomernog pražnjenja baterije sa ili bez sile prethodnog zatezanja, životni vek ciklusa je kraći. Dalje istražite uticaj prisustva ili odsustva uređaja na performanse baterije. Analizom podataka uporedite ciklične performanse baterija sa i bez uređaja pod istim radnim uslovima.
Bez obzira na stvarni raspon cikličkog napona baterije, performanse ciklusa baterija sa učvršćenim elementima su superiornije od onih bez učvršćenja. Međutim, kako donja granica napona pražnjenja nastavlja da raste, uticaj uređaja na performanse ciklusa baterije postepeno se smanjuje. Između {{0}}~3.65V, vijek trajanja baterije sa uređajima je 647 puta, dok je vijek trajanja baterije bez uređaja 145 puta, razlika od 502 puta; Na 0.20-3.65V, vijek trajanja baterije sa uređajima je 598 puta, dok je vijek trajanja baterije bez uređaja 119 puta, što je razlika od 479 puta; Na 0.50-3.65V, stopa zadržavanja kapaciteta baterije bez učvršćenja je 67,72% nakon 360 ciklusa, dok je stopa zadržavanja kapaciteta baterije sa držačima 90.00%; Na 0.80-3.65V, stopa zadržavanja kapaciteta baterije bez učvršćenja je 80.00% nakon 500 ciklusa, dok je stopa zadržavanja kapaciteta baterije sa držačima 92,00 %; Na 1.50-3.65V, stopa zadržavanja kapaciteta baterije bez učvršćenja je bila 84,55% nakon 928 ciklusa, dok je stopa zadržavanja kapaciteta baterije sa držačima bila 86,73%, povećanje od 2,18 procentnih poena u zadržavanju kapaciteta; Na 2.50-3.65V, stopa zadržavanja kapaciteta baterije bez učvršćenja je 94,07% nakon 1000 ciklusa, dok je stopa zadržavanja kapaciteta baterije sa držačima 96,03%.
Kako se donja granica napona pražnjenja povećava, utjecaj uređaja na performanse ciklusa baterije postepeno slabi, što se manifestira kao sužavanje jaza u zadržavanju kapaciteta između baterija sa i bez uređaja. Ovo ukazuje da je učinak poboljšanja uređaja na performanse ciklusa baterije oslabljen u rasponima viših napona.
EIS testiranje je provedeno na baterijama (grupe A, B, C, F, itd.) sa i bez učvršćivača u kasnijim fazama ciklusa za neke od shema, a rezultati su prikazani na slici 3. Polazna tačka Polukrug spektra impedanse je impedancija interfejsa Rb između elektrode i interfejsa elektrolita; Krajnja tačka polukruga je impedanca prijenosa naboja Rct; Dijagonalna linija predstavlja impedanciju uzrokovanu difuzijom Li+ unutar čestica aktivnog materijala, a to je Warburgova impedansa (Dw). Od Rb i Rct: A-1
Ovo također potvrđuje da vanjski pritisak može smanjiti zazore među elektrodama i povećati kontaktnu površinu sučelja. Pod nižim pritiskom, baterija će biti komprimirana i njena debljina će se smanjiti, što može smanjiti kontaktni otpor, skratiti put prijenosa Li+ i minimizirati gubitak aktivnog litijuma; Osim toga, može spriječiti odvajanje materijala pozitivnih i negativnih elektroda uzrokovano proizvodnjom plina tijekom niskonaponskog pražnjenja, smanjiti nepovratno širenje baterije, održati stabilnost pozitivnih i negativnih elektroda i poboljšati performanse baterije. Što je niži napon donje granice pražnjenja, to je dublja ekstrakcija litijuma iz materijala negativne elektrode i veća je proizvodnja plina u bateriji. Prisutnost uređaja može efikasno suzbiti gubitak Li+ aktivnosti uzrokovan proizvodnjom gasa, čime se poboljšava performanse baterije. Ovo također objašnjava zašto kako napon pražnjenja postepeno raste, razlika u broju ciklusa između baterija sa i bez uređaja postaje sve manja i manja.
Da bi se dalje promatrale promjene u ciklusu baterije pri različitim naponima, baterija je rastavljena i uočene su promjene u materijalima pozitivnih i negativnih elektroda.
Iz morfološke perspektive, ne postoji značajna razlika između materijala pozitivne i negativne elektrode nakon ciklusa prekomjernog pražnjenja. Negativna elektroda izgleda kao blok, dok pozitivna elektroda izgleda kao male čestice. Prisustvo ili odsustvo fiksatora nema efekta na morfologiju materijala pozitivnih i negativnih elektroda. Tokom kontinuiranog procesa plitkog punjenja i dubokog pražnjenja, parametri jedinične ćelije materijala mogu se promijeniti, posebno za materijale negativnih elektroda, što može rezultirati promjenama u međuslojnom razmaku.
XRD analiza je izvršena na negativnoj elektrodi, a rezultati su prikazani na slici. Sa slike se može vidjeti da iako baterija radi u različitim rasponima napona, materijal negativne elektrode nakon ciklusa je i dalje grafit i ne stvaraju se druge nove tvari. Unutar istog raspona napona, karakteristični vrhovi negativnih elektrodnih ploča (002) i (100) baterije bez stezaljke pomiču se prema nižim uglovima, što ukazuje na povećanje parametara rešetke grafita i povećanje međuplonskog razmaka.
To znači da u poređenju sa baterijama sa učvršćenim elementima, međuslojni razmak grafita kod baterija koje nisu učvršćene nastavlja da se povećava tokom kontinuiranog procesa punjenja i pražnjenja. Mikroskopske promjene u ovom materijalu dovode do ozbiljnije degradacije biciklističkih performansi, a također objašnjavaju zašto su performanse ciklusa baterija sa učvršćenim elementima znatno bolje od onih bez uređaja u istom rasponu napona.
2.4 Karakteristike kalendarskog životnog vijeka se mijenjaju nakon prekomjernog pražnjenja baterije
Za dalje praćenje promjena kapaciteta baterije nakon dugotrajnog prekomjernog pražnjenja, zadržavanje kapaciteta i oporavak baterije nakon pražnjenja na specificirani napon od 0.50V, 0.80V, 1.50 Proučavani su V i 2,50V za određeni vremenski period.
Čak i ako je baterija pohranjena na niskom naponu, neće doći do degradacije kapaciteta, što nema značajan utjecaj na kapacitet i neće uzrokovati gubitak kapaciteta zbog prekomjernog pražnjenja. Iz metodološke perspektive, nakon što je baterija previše ispražnjena, može se ostaviti neko vrijeme i napuniti malom strujom kako bi se obnovio i održao njen kapacitet.
3 Zaključak
Na osnovu proučavanja karakteristika litijum-jonskih baterija koje se koriste u data centrima, istražen je uticaj različitih sila prednaprezanja na prekomerno pražnjenje. Rezultati su pokazali da:
Primjenom dvije vrste sila prethodnog zatezanja na bateriju sa i bez stezaljki, ciklus u šest naponskih opsega od {{0}}~3.65V, 0.20~3.65V , 0,50~3,65V, 0,80~3,65V, 1,50~3,65V, i konvencionalni raspon 2,50~3,65V, bez obzira da li postoji stezaljka, što je niži napon prekida pražnjenja baterije, to je brži pad kapaciteta. U praktičnim primjenama, dugotrajno niskonaponsko cikliranje treba izbjegavati što je više moguće kako bi se produžio vijek trajanja baterije.
Uređaji mogu poboljšati performanse baterija, ali njihov učinak slabi kako se napon prekida pražnjenja povećava. Rezultati EIS, XRD i drugih testova pokazuju da uređaj može osigurati stabilnost pozitivnih i negativnih elektroda aktivnih materijala tokom ciklusa, smanjiti praznine među elektrodama, povećati kontaktnu površinu, smanjiti omski otpor, skratiti put Li+transporta, smanjiti aktivni litij gubitak, smanjiti nepovratno širenje baterije i poboljšati performanse ciklusa baterije. Eksperimentalni rezultati imaju vodeći značaj za dizajn sklopa baterija i preporučuje se da budući istraživači razmotre dizajn čvrstog sklopa kako bi poboljšali performanse baterije.
Nakon dugotrajnog skladištenja u različitim rasponima napona prekomjernog pražnjenja, kapacitet baterije se neće smanjiti sa smanjenjem napona prekida pražnjenja. Dopuna male struje može održati i obnoviti kapacitet. Ovo pruža rješenje za problem smanjenih performansi baterije nakon dugotrajnog skladištenja.