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सर्दी आ रही है, लिथियम-आयन बैटरी के निम्न-तापमान विश्लेषण घटना को देखें

18 अक्टूबर, 2021

By हॉपप्टो

लिथियम-आयन बैटरी का प्रदर्शन उनकी गतिज विशेषताओं से बहुत प्रभावित होता है। चूंकि ली + को ग्रेफाइट सामग्री में एम्बेडेड होने पर पहले विलुप्त होने की आवश्यकता होती है, इसलिए इसे एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा का उपभोग करने और ली + के ग्रेफाइट में प्रसार में बाधा डालने की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, जब ली + ग्रेफाइट सामग्री से घोल में छोड़ा जाता है, तो सॉल्वैंशन प्रक्रिया पहले होगी, और सॉल्वैंशन प्रक्रिया में ऊर्जा की खपत की आवश्यकता नहीं होती है। ली + ग्रेफाइट को जल्दी से हटा सकता है, जिससे ग्रेफाइट सामग्री की काफी खराब चार्ज स्वीकृति होती है। निर्वहन स्वीकार्यता में।

कम तापमान पर, नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड की गतिज विशेषताओं में सुधार हुआ है और खराब हो गया है। इसलिए, चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान नकारात्मक इलेक्ट्रोड का विद्युत रासायनिक ध्रुवीकरण काफी तेज हो जाता है, जिससे नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर धातु लिथियम की वर्षा आसानी से हो सकती है। जर्मनी के म्यूनिख तकनीकी विश्वविद्यालय के क्रिश्चियन वॉन लुडर्स द्वारा किए गए शोध से पता चला है कि -2 डिग्री सेल्सियस पर, चार्ज दर सी / 2 से अधिक हो जाती है, और धातु लिथियम वर्षा की मात्रा में काफी वृद्धि हुई है। उदाहरण के लिए, सी/2 दर पर, विरोधी इलेक्ट्रोड सतह पर लिथियम चढ़ाना की मात्रा पूरे चार्ज के बारे में है। क्षमता का 5.5% लेकिन 9C आवर्धन के तहत 1% तक पहुंच जाएगा। अवक्षेपित धात्विक लिथियम आगे विकसित हो सकता है और अंततः लिथियम डेन्ड्राइट बन सकता है, डायाफ्राम के माध्यम से छेद कर सकता है और सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के शॉर्ट-सर्किटिंग का कारण बन सकता है। इसलिए जरूरी है कि लिथियम-आयन बैटरी को कम तापमान पर जितना हो सके चार्ज करने से बचें। जब इसे कम तापमान पर बैटरी को चार्ज करना चाहिए, तो लिथियम-आयन बैटरी को जितना संभव हो सके चार्ज करने के लिए एक छोटे से करंट का चयन करना आवश्यक है और चार्ज करने के बाद लिथियम-आयन बैटरी को पूरी तरह से स्टोर करना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि धातु लिथियम नकारात्मक इलेक्ट्रोड से अवक्षेपित हो। ग्रेफाइट के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है और नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड में फिर से एम्बेड किया जा सकता है।

म्यूनिख के तकनीकी विश्वविद्यालय के वेरोनिका ज़िंथ और अन्य ने -20 डिग्री सेल्सियस के कम तापमान पर लिथियम आयन बैटरी के लिथियम विकास व्यवहार का अध्ययन करने के लिए न्यूट्रॉन विवर्तन और अन्य तरीकों का इस्तेमाल किया। हाल के वर्षों में न्यूट्रॉन विवर्तन एक नई पहचान विधि रही है। XRD की तुलना में, न्यूट्रॉन विवर्तन प्रकाश तत्वों (Li, O, N, आदि) के प्रति अधिक संवेदनशील होता है, इसलिए यह लिथियम-आयन बैटरी के गैर-विनाशकारी परीक्षण के लिए बहुत उपयुक्त है।

प्रयोग में, वेरोनिकाज़िंथ ने कम तापमान पर लिथियम-आयन बैटरी के लिथियम विकास व्यवहार का अध्ययन करने के लिए एनएमसी111/ग्रेफाइट 18650 बैटरी का उपयोग किया। नीचे दिए गए चित्र में दिखाई गई प्रक्रिया के अनुसार परीक्षण के दौरान बैटरी को चार्ज और डिस्चार्ज किया जाता है।

निम्नलिखित आंकड़ा सी/30 दर चार्जिंग पर दूसरे चार्जिंग चक्र के दौरान विभिन्न एसओसी के तहत नकारात्मक इलेक्ट्रोड के चरण परिवर्तन को दर्शाता है। ऐसा लग सकता है कि 30.9% SoC पर, नकारात्मक इलेक्ट्रोड के चरण मुख्य रूप से LiC12, Li1-XC18, और LiC6 संरचना की एक छोटी मात्रा हैं; SoC के 46% से अधिक होने के बाद, LiC12 की विवर्तन तीव्रता में कमी जारी है, जबकि LiC6 की शक्ति में वृद्धि जारी है। हालांकि, अंतिम चार्ज पूरा होने के बाद भी, चूंकि कम तापमान पर केवल 1503mAh चार्ज किया जाता है (क्षमता कमरे के तापमान पर 1950mAh है), LiC12 नकारात्मक इलेक्ट्रोड में मौजूद है। मान लीजिए कि चार्जिंग करंट C/100 तक कम हो गया है। उस स्थिति में, बैटरी अभी भी कम तापमान पर 1950mAh की क्षमता प्राप्त कर सकती है, जो इंगित करता है कि कम तापमान पर लिथियम-आयन बैटरी की शक्ति में कमी मुख्य रूप से गतिज स्थितियों के बिगड़ने के कारण होती है।

नीचे दिया गया आंकड़ा -5 डिग्री सेल्सियस के कम तापमान पर C/20 दर के अनुसार चार्ज करने के दौरान नकारात्मक इलेक्ट्रोड में ग्रेफाइट के चरण परिवर्तन को दर्शाता है। यह देख सकता है कि C/30 दर चार्जिंग की तुलना में ग्रेफाइट का चरण परिवर्तन काफी भिन्न है। यह इस आंकड़े से देखा जा सकता है कि जब SoC> 40%, C/12 चार्ज दर के तहत बैटरी LiC5 की चरण शक्ति काफी धीमी हो जाती है, और LiC6 चरण शक्ति की वृद्धि भी C/30 की तुलना में काफी कमजोर होती है। प्रभारी दर। यह दर्शाता है कि C/5 की अपेक्षाकृत उच्च दर पर, कम LiC12 लिथियम को आपस में जोड़ना जारी रखता है और LiC6 में परिवर्तित हो जाता है।

नीचे दिया गया चित्र क्रमशः C/30 और C/5 दरों पर चार्ज करते समय नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के चरण परिवर्तनों की तुलना करता है। आंकड़ा दिखाता है कि दो अलग-अलग चार्जिंग दरों के लिए, लिथियम-खराब चरण Li1-XC18 बहुत समान है। अंतर मुख्य रूप से LiC12 और LiC6 के दो चरणों में परिलक्षित होता है। यह इस आंकड़े से देखा जा सकता है कि नकारात्मक इलेक्ट्रोड में चरण परिवर्तन की प्रवृत्ति दो चार्ज दरों के तहत चार्ज करने के प्रारंभिक चरण में अपेक्षाकृत करीब है। LiC12 चरण के लिए, जब चार्जिंग क्षमता 950mAh (49% SoC) तक पहुंच जाती है, तो बदलती प्रवृत्ति अलग दिखाई देने लगती है। जब 1100mAh (56.4% SoC) की बात आती है, तो दो आवर्धन के तहत LiC12 चरण एक महत्वपूर्ण अंतर दिखाना शुरू कर देता है। C/30 की कम दर पर चार्ज करते समय, LiC12 चरण की गिरावट बहुत तेज़ होती है, लेकिन C/12 दर पर LiC5 चरण की गिरावट बहुत धीमी होती है; अर्थात्, ऋणात्मक इलेक्ट्रोड में लिथियम सम्मिलन की गतिज स्थितियाँ कम तापमान पर बिगड़ जाती हैं। , ताकि LiC12 आगे LiC6 चरण गति उत्पन्न करने के लिए लिथियम को आपस में जोड़ता है। इसके अनुरूप, LiC6 चरण C/30 की कम दर से बहुत तेज़ी से बढ़ता है लेकिन C/5 की दर से बहुत धीमा होता है। इससे पता चलता है कि सी/5 दर पर, ग्रेफाइट की क्रिस्टल संरचना में अधिक खूबसूरत ली एम्बेडेड है, लेकिन दिलचस्प बात यह है कि सी/1520.5 चार्ज दर पर बैटरी की चार्ज क्षमता (5 एमएएच) सी की तुलना में अधिक है। / 30 चार्ज दर। शक्ति (1503.5mAh) अधिक है। अतिरिक्त ली जो नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड में एम्बेडेड नहीं है, धातु लिथियम के रूप में ग्रेफाइट सतह पर अवक्षेपित होने की संभावना है। चार्जिंग खत्म होने के बाद स्टैंडिंग प्रोसेस भी इसे साइड से साबित करता है—थोड़ा सा।

निम्नलिखित आंकड़ा चार्ज करने के बाद और 20 घंटे के लिए छोड़े जाने के बाद नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड की चरण संरचना को दर्शाता है। चार्जिंग के अंत में, दो चार्जिंग दरों के तहत नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड का चरण बहुत अलग होता है। C/5 पर, ग्रेफाइट एनोड में LiC12 का अनुपात अधिक होता है, और LiC6 का प्रतिशत कम होता है, लेकिन 20 घंटे तक खड़े रहने के बाद, दोनों के बीच का अंतर न्यूनतम हो गया है।

नीचे दिया गया आंकड़ा 20h भंडारण प्रक्रिया के दौरान नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के चरण परिवर्तन को दर्शाता है। यह इस आंकड़े से देख सकता है कि हालांकि शुरुआत में दो विरोधी इलेक्ट्रोड के चरण अभी भी बहुत अलग हैं, जैसे-जैसे भंडारण समय बढ़ता है, दो प्रकार के चार्जिंग आवर्धन के तहत ग्रेफाइट एनोड का चरण बहुत करीब बदल गया है। ठंडे बस्ते में डालने की प्रक्रिया के दौरान LiC12 को LiC6 में परिवर्तित करना जारी रखा जा सकता है, यह दर्शाता है कि Li ठंडे बस्ते में डालने की प्रक्रिया के दौरान ग्रेफाइट में एम्बेडेड रहेगा। ली का यह हिस्सा कम तापमान पर नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड की सतह पर उपजी धात्विक लिथियम होने की संभावना है। आगे के विश्लेषण से पता चला है कि C/30 दर पर चार्जिंग के अंत में, नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के लिथियम इंटरकलेशन की डिग्री 68% थी। फिर भी, शेल्विंग के बाद लिथियम इंटरकलेशन की डिग्री बढ़कर 71% हो गई, 3% की वृद्धि। C/5 दर पर चार्ज करने के अंत में, नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड की लिथियम प्रविष्टि की डिग्री 58% थी, लेकिन 20 घंटे के लिए छोड़े जाने के बाद, यह बढ़कर 70% हो गई, कुल 12% की वृद्धि हुई।

उपरोक्त शोध से पता चलता है कि कम तापमान पर चार्ज करने पर गतिज स्थितियों के बिगड़ने के कारण बैटरी की क्षमता कम हो जाएगी। यह ग्रेफाइट लिथियम प्रविष्टि दर में कमी के कारण नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर लिथियम धातु को भी अवक्षेपित करेगा। हालांकि, भंडारण की अवधि के बाद, धातु लिथियम के इस हिस्से को फिर से ग्रेफाइट में एम्बेड किया जा सकता है; वास्तविक उपयोग में, शेल्फ समय अक्सर कम होता है, और इस बात की कोई गारंटी नहीं है कि सभी धातु लिथियम को फिर से ग्रेफाइट में एम्बेड किया जा सकता है, इसलिए इससे कुछ धातु लिथियम नकारात्मक इलेक्ट्रोड में मौजूद रह सकते हैं। लिथियम-आयन बैटरी की सतह लिथियम-आयन बैटरी की क्षमता को प्रभावित करेगी और लिथियम-आयन बैटरी की सुरक्षा को खतरे में डालने वाले लिथियम डेन्ड्राइट का उत्पादन कर सकती है। इसलिए, लिथियम-आयन बैटरी को कम तापमान पर चार्ज करने से बचने की कोशिश करें। कम वर्तमान, और सेटिंग के बाद, नकारात्मक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड में धातु लिथियम को खत्म करने के लिए पर्याप्त शेल्फ समय सुनिश्चित करें।

यह लेख मुख्य रूप से निम्नलिखित दस्तावेजों को संदर्भित करता है। रिपोर्ट का उपयोग केवल संबंधित वैज्ञानिक कार्यों, कक्षा शिक्षण और वैज्ञानिक अनुसंधान को प्रस्तुत करने और समीक्षा करने के लिए किया जाता है। व्यावसायिक उपयोग के लिए नहीं। यदि आपके पास कोई कॉपीराइट समस्या है, तो कृपया हमसे बेझिझक संपर्क करें।

1. लिथियम-आयन कैपेसिटर में नकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में ग्रेफाइट सामग्री की दर क्षमता, इलेक्ट्रोचिमिका एक्टा 55 (2010) 3330 - 3335, एसआरएस शिवककुमार, जेवाई नेरकर, एजी पांडोल्फो

2. लिथियम-आयन बैटरियों में लिथियम प्लेटिंग की जांच वोल्टेज रिलैक्सेशन और सीटू न्यूट्रॉन विवर्तन द्वारा की जाती है, जर्नल ऑफ पावर सोर्स 342 (2017) 17-23, क्रिश्चियन वॉन लुडर्स, वेरोनिका जिंथ, साइमन वी। एरहार्ड, पैट्रिक जे। ओसवाल्ड, माइकल हॉफमैन , राल्फ गिल्स, एंड्रियास जोसेन

3. उप-परिवेश तापमान पर लिथियम-आयन बैटरी में लिथियम प्लेटिंग इन सीटू न्यूट्रॉन विवर्तन द्वारा जांच की जाती है, जर्नल ऑफ पावर सोर्स 271 (2014) 152-159, वेरोनिका ज़िंथ, क्रिश्चियन वॉन लुडर्स, माइकल हॉफमैन, जोहान्स हैटेंडोर्फ, इर्मगार्ड बुचबर्गर, साइमन एरहार्ड, जोआना रेबेलो-कोर्नमीयर, एंड्रियास जोसेन, राल्फ गिलेस

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