Veiksniai, turintys įtakos ličio jonų akumuliatorių vidinei varžai

Veiksniai, turintys įtakos ličio jonų akumuliatorių vidinei varžai

Naudojant ličio baterijas, jų našumas ir toliau mažėja, daugiausia pasireiškiantis talpos mažėjimu, vidinės varžos padidėjimu, galios mažėjimu ir kt. Akumuliatoriaus vidinės varžos pokyčiams įtakos turi įvairios naudojimo sąlygos, tokios kaip temperatūra ir iškrovimo gylis. Todėl buvo nustatyti veiksniai, turintys įtakos vidiniam akumuliatoriaus atsparumui, atsižvelgiant į akumuliatoriaus konstrukcijos dizainą, žaliavos veikimą, gamybos procesą ir naudojimo sąlygas.

Atsparumas yra pasipriešinimas, kurį patiria srovė, tekanti per ličio baterijos vidų veikimo metu. Paprastai ličio baterijų vidinė varža skirstoma į ominę vidinę varžą ir poliarizuotą vidinę varžą. Ominė vidinė varža susideda iš elektrodo medžiagos, elektrolito, diafragmos varžos ir įvairių dalių kontaktinės varžos. Poliarizacijos vidinė varža reiškia varžą, kurią sukelia poliarizacija elektrocheminių reakcijų metu, įskaitant elektrocheminės poliarizacijos vidinę varžą ir koncentracijos poliarizacijos vidinę varžą. Akumuliatoriaus ominę vidinę varžą lemia bendras akumuliatoriaus laidumas, o akumuliatoriaus poliarizacijos vidinę varžą – ličio jonų kietojo kūno difuzijos koeficientas elektrodo aktyviojoje medžiagoje.

Ohminis atsparumas

Ominė vidinė varža daugiausia skirstoma į tris dalis: jonų varžą, elektronų varžą ir kontaktinę varžą. Tikimės, kad mažėjant ličio baterijų vidinė varža mažės, todėl, remiantis šiais trimis aspektais, reikia imtis konkrečių priemonių, siekiant sumažinti Ohminę vidinę varžą.

Jonų varža

Ličio akumuliatoriaus jonų varža reiškia pasipriešinimą, kurį patiria ličio jonų perdavimas akumuliatoriuje. Ličio jonų migracijos greitis ir elektronų laidumo greitis yra vienodai svarbūs ličio baterijose, o jonų varžai daugiausia įtakos turi teigiamos ir neigiamos elektrodų medžiagos, separatoriai ir elektrolitas. Norint sumažinti jonų varžą, reikia gerai atlikti šiuos dalykus:

Užtikrinkite, kad teigiamų ir neigiamų elektrodų medžiagos ir elektrolitas būtų gerai drėkinami

Projektuojant elektrodą, būtina pasirinkti tinkamą tankinimo tankį. Jei sutankinimo tankis yra per didelis, elektrolitas nėra lengvai įsiurbiamas ir padidins jonų varžą. Neigiamo elektrodo atveju, jei SEI plėvelė, susidariusi ant aktyviosios medžiagos paviršiaus pirmojo įkrovimo ir iškrovimo metu, yra per stora, tai taip pat padidins jonų varžą. Tokiu atveju, norint išspręsti problemą, būtina pakoreguoti akumuliatoriaus formavimo procesą.

Elektrolito įtaka

Elektrolitas turi būti tinkamos koncentracijos, klampumo ir laidumo. Kai elektrolito klampumas yra per didelis, jis nėra palankus infiltracijai tarp jo ir teigiamų bei neigiamų elektrodų veikliųjų medžiagų. Tuo pačiu metu elektrolitui reikalinga ir mažesnė koncentracija, kuri taip pat yra nepalanki jo tekėjimui ir infiltracijai, jei koncentracija yra per didelė. Elektrolito laidumas yra svarbiausias veiksnys, turintis įtakos jonų varžai, kuri lemia jonų migraciją.

Diafragmos poveikis jonų varžai

Pagrindiniai membranos veiksniai, darantys įtaką jonų varžai, yra šie: elektrolitų pasiskirstymas membranoje, membranos plotas, storis, porų dydis, poringumas ir vingiavimo koeficientas. Keraminėms diafragmoms taip pat būtina neleisti keraminėms dalelėms užkimšti diafragmos porų, o tai nėra palanki jonams praeiti. Užtikrinant, kad elektrolitas visiškai prasiskverbtų į membraną, joje neturėtų likti elektrolito likučių, o tai sumažintų elektrolito naudojimo efektyvumą.

Elektroninė varža

Yra daug veiksnių, turinčių įtakos elektroninei varžai, o patobulinimai gali būti atliekami atsižvelgiant į tokius aspektus kaip medžiagos ir procesai.

Teigiamų ir neigiamų elektrodų plokštės

Pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos teigiamų ir neigiamų elektrodų plokščių elektroninei varžai, yra šie: kontaktas tarp įtampingosios medžiagos ir kolektoriaus, pačios įtampingosios medžiagos veiksniai ir elektrodo plokštės parametrai. Gyvoji medžiaga turi turėti visišką kontaktą su kolektoriaus paviršiumi, o tai galima spręsti iš kolektoriaus varinės folijos, aliuminio folijos pagrindo ir teigiamų bei neigiamų elektrodų sukibimo. Pačios gyvos medžiagos poringumas, paviršiniai dalelių šalutiniai produktai ir netolygus maišymasis su laidžiomis medžiagomis gali sukelti elektroninės varžos pokyčius. Elektrodo plokštės parametrai, tokie kaip mažas gyvosios medžiagos tankis ir dideli dalelių tarpai, nėra palankūs elektronų laidumui.

Separatoriai

Pagrindiniai diafragmos įtakos elektroninei varžai veiksniai yra: diafragmos storis, poringumas ir šalutiniai produktai įkrovimo ir iškrovimo metu. Pirmuosius du lengva suprasti. Išardžius akumuliatoriaus elementą, dažnai nustatoma, kad ant diafragmos yra storas rudos medžiagos sluoksnis, įskaitant neigiamą grafito elektrodą ir jo reakcijos šalutinius produktus, dėl kurių gali užsikimšti diafragmos anga ir sutrumpėti baterijos veikimo laikas.

Skysčius surenkantis substratas

Medžiaga, storis, plotis ir kolektoriaus ir elektrodo kontakto laipsnis gali turėti įtakos elektroninei varžai. Norint surinkti skysčius, reikia pasirinkti substratą, kuris nebuvo oksiduotas ar pasyvuotas, kitaip tai turės įtakos varžos dydžiui. Prastas litavimas tarp varinės aliuminio folijos ir elektrodo ausų taip pat gali turėti įtakos elektroninei varžai.

Kontaktinė varža

Kontaktinė varža susidaro tarp varinės aliuminio folijos ir gyvos medžiagos kontakto, todėl reikia sutelkti dėmesį į teigiamo ir neigiamo elektrodo pastos sukibimą.

Poliarizacijos vidinė varža

Reiškinys, kai elektrodo potencialas nukrypsta nuo pusiausvyros elektrodo potencialo srovei tekant per elektrodą, vadinamas elektrodo poliarizacija. Poliarizacija apima ominę poliarizaciją, elektrocheminę poliarizaciją ir koncentracinę poliarizaciją. Atsparumas poliarizacijai reiškia vidinę varžą, kurią sukelia poliarizacija tarp teigiamo ir neigiamo akumuliatoriaus elektrodų vykstant elektrocheminėms reakcijoms. Jis gali atspindėti akumuliatoriaus konsistenciją, bet netinka gamybai dėl operacijų ir metodų įtakos. Poliarizacijos vidinė varža nėra pastovi ir nuolat kinta laikui bėgant įkrovimo ir iškrovimo metu. Taip yra todėl, kad veikliųjų medžiagų sudėtis, elektrolito koncentracija ir temperatūra nuolat kinta. Ominė vidinė varža atitinka Ohminį dėsnį, o poliarizacijos vidinė varža didėja didėjant srovės tankiui, tačiau tai nėra tiesinis ryšys. Jis dažnai didėja tiesiškai, atsižvelgiant į srovės tankio logaritmą.

Struktūrinio dizaino poveikis

Projektuojant akumuliatoriaus konstrukcijas, be pačių akumuliatoriaus konstrukcinių komponentų kniedijimo ir suvirinimo, akumuliatoriaus ausies skaičius, dydis, padėtis ir kiti veiksniai tiesiogiai įtakoja vidinę akumuliatoriaus varžą. Tam tikru mastu padidinus polių ausų skaičių, galima veiksmingai sumažinti vidinį akumuliatoriaus atsparumą. Stulpelio ausies padėtis taip pat turi įtakos vidiniam akumuliatoriaus atsparumui. Apvijos akumuliatorius, kurio poliaus ausies padėtis yra teigiamo ir neigiamo polių galvutėje, turi didžiausią vidinę varžą, o lyginant su apvijos akumuliatoriumi, sukrautas akumuliatorius prilygsta dešimčiai mažų akumuliatorių lygiagrečiai, o jo vidinė varža yra mažesnė. .

Žaliavos veikimo įtaka

Teigiamos ir neigiamos aktyviosios medžiagos

Teigiamas elektrodas ličio baterijose yra ta, kuri kaupia litį, o tai labiau nulemia baterijos veikimą. Teigiama elektrodo medžiaga daugiausia pagerina elektroninį laidumą tarp dalelių, dengdama ir dengdama. Ni dopingas padidina P-O jungčių stiprumą, stabilizuoja LiFePO4/C struktūrą, optimizuoja ląstelių tūrį ir efektyviai sumažina teigiamo elektrodo medžiagos krūvio perdavimo varžą. Žymus aktyvacijos poliarizacijos padidėjimas, ypač neigiamo elektrodo aktyvinimo poliarizacijoje, yra pagrindinė stiprios poliarizacijos priežastis. Sumažinus neigiamo elektrodo dalelių dydį, galima veiksmingai sumažinti neigiamo elektrodo aktyvinimo poliarizaciją. Kai neigiamo elektrodo kietųjų dalelių dydis sumažėja perpus, aktyvacijos poliarizacija gali sumažėti 45%. Todėl, kalbant apie akumuliatoriaus konstrukciją, labai svarbūs ir pačių teigiamų ir neigiamų elektrodų medžiagų tobulinimo tyrimai.

Laidus agentas

Dėl puikių eksploatacinių savybių grafitas ir suodžiai plačiai naudojami ličio baterijų srityje. Palyginti su grafito tipo laidžiosiomis medžiagomis, į teigiamą elektrodą įdėjus suodžių tipo laidžių agentų, akumuliatoriaus greitis yra geresnis, nes grafito tipo laidžios medžiagos turi dalelių morfologiją, panašią į dribsnius, o tai žymiai padidina porų vingiavimo koeficientą esant dideliam greičiui. ir yra linkęs į Li skystosios fazės difuzijos reiškinį, ribojantį išleidimo pajėgumą. Akumuliatorius su pridėtomis CNT turi mažesnę vidinę varžą, nes, palyginti su taškiniu grafito / suodžių ir aktyviosios medžiagos kontaktu, pluoštiniai anglies nanovamzdeliai liečiasi su aktyvia medžiaga, o tai gali sumažinti akumuliatoriaus sąsajos varžą.

Skysčio surinkimas

Sąsajos varžos tarp kolektoriaus ir aktyviosios medžiagos sumažinimas ir sukibimo stiprumo tarp jų gerinimas yra svarbios priemonės, padedančios pagerinti ličio baterijų veikimą. Aliuminio folijos paviršiaus padengimas laidžiąja anglies danga ir aliuminio folijos apdorojimas korona gali veiksmingai sumažinti akumuliatoriaus sąsajos varžą. Palyginti su įprasta aliuminio folija, naudojant anglimi dengtą aliuminio foliją galima sumažinti vidinį akumuliatoriaus atsparumą maždaug 65% ir sumažinti vidinės varžos padidėjimą naudojimo metu. Korona apdorotos aliuminio folijos kintamoji vidinė varža gali būti sumažinta apie 20%. Paprastai naudojamame diapazone nuo 20% iki 90% SOC bendra nuolatinės srovės vidinė varža yra palyginti maža, o jos padidėjimas palaipsniui mažėja didėjant iškrovos gyliui.

Separatoriai

Jonų laidumas akumuliatoriaus viduje priklauso nuo Li jonų difuzijos per porėtą membraną elektrolite. Skysčio absorbcija ir membranos gebėjimas drėkinti yra raktas į gerą jonų srauto kanalą. Kai membrana turi didesnį skysčio sugerties greitį ir porėtą struktūrą, ji gali pagerinti laidumą, sumažinti akumuliatoriaus varžą ir pagerinti akumuliatoriaus veikimo greitį. Palyginti su įprastomis bazinėmis membranomis, keraminės membranos ir dengtos membranos gali ne tik žymiai pagerinti membranos atsparumą aukštai temperatūrai, bet ir pagerinti jos skysčių sugėrimą bei drėkinimo galimybes. SiO2 keraminių dangų pridėjimas ant PP membranų gali padidinti membranos skysčio sugėrimo gebą 17%. Užtepkite 1 ant PP/PE kompozitinės membranos μ PVDF-HFP m padidina membranos įsiurbimo greitį nuo 70% iki 82%, o vidinis ląstelės atsparumas sumažėja daugiau nei 20%.

Pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos vidiniam akumuliatorių atsparumui gamybos proceso ir naudojimo sąlygų požiūriu, yra šie:

Proceso veiksniai turi įtakos

Srutos

Srutų dispersijos vienodumas maišant srutas turi įtakos tai, ar laidžioji medžiaga gali būti tolygiai paskirstyta aktyviojoje medžiagoje ir glaudžiai su ja susiliečia, o tai yra susiję su vidine akumuliatoriaus varža. Didinant didelės spartos sklaidą, galima pagerinti srutų sklaidos vienodumą, todėl akumuliatoriaus vidinė varža sumažėja. Pridėjus paviršinio aktyvumo medžiagų, galima pagerinti laidžiųjų medžiagų pasiskirstymo elektrode vienodumą, o elektrocheminę poliarizaciją sumažinti, kad padidėtų vidutinė iškrovos įtampa.

Dengimas

Paviršiaus tankis yra vienas iš pagrindinių baterijos dizaino parametrų. Kai akumuliatoriaus talpa yra pastovi, padidinus elektrodo paviršiaus tankį, neišvengiamai sumažės bendras kolektoriaus ir separatoriaus ilgis, taip pat sumažės baterijos ominė vidinė varža. Todėl tam tikrame diapazone akumuliatoriaus vidinė varža mažėja didėjant paviršiaus tankiui. Tirpiklio molekulių migracija ir atsiskyrimas dengimo ir džiovinimo metu yra glaudžiai susiję su krosnies temperatūra, kuri tiesiogiai veikia klijų ir laidžių medžiagų pasiskirstymą elektrode, taip paveikdama laidžių tinklelių susidarymą elektrode. Todėl dengimo ir džiovinimo temperatūra taip pat yra svarbus procesas optimizuojant akumuliatoriaus veikimą.

Volelio presavimas

Tam tikru mastu mažėja akumuliatoriaus vidinė varža, didėjant tankinimo tankiui, didėjant tankinimo tankiui, mažėjant atstumui tarp žaliavos dalelių, kuo daugiau dalelių kontaktuoja, tuo daugiau laidžių tiltelių ir kanalų bei akumuliatoriaus varža. mažėja. Tankinimo tankis daugiausia kontroliuojamas valcavimo storiu. Skirtingas valcavimo storis turi didelę įtaką vidinei akumuliatorių varžai. Kai valcavimo storis didelis, dėl veikliosios medžiagos nesugebėjimo sandariai riedėti padidėja kontaktinis pasipriešinimas tarp veikliosios medžiagos ir kolektoriaus, todėl padidėja vidinė akumuliatoriaus varža. O po akumuliatoriaus ciklo ant akumuliatoriaus teigiamo elektrodo paviršiaus atsiranda didesnio riedėjimo storio įtrūkimai, kurie dar labiau padidins kontaktinę varžą tarp elektrodo paviršinio aktyvumo medžiagos ir kolektoriaus.

Stulpelio apyvartos laikas

Skirtingas teigiamo elektrodo laikymo laikas turi didelę įtaką vidinei akumuliatoriaus varžai. Laikymo laikas yra palyginti trumpas, o akumuliatoriaus vidinė varža didėja lėtai dėl sąveikos tarp anglies dangos sluoksnio ant ličio geležies fosfato ir ličio geležies fosfato paviršiaus; Ilgą laiką (daugiau nei 23 valandas) nenaudojamo akumuliatoriaus vidinė varža žymiai padidėja dėl bendro ličio geležies fosfato ir vandens reakcijos bei klijų sukibimo efekto. Todėl faktinėje gamyboje būtina griežtai kontroliuoti elektrodų plokščių apsisukimo laiką.

Injekcija

Elektrolito joninis laidumas lemia akumuliatoriaus vidinės varžos ir greičio charakteristikas. Elektrolito laidumas yra atvirkščiai proporcingas tirpiklio klampos diapazonui, taip pat jį įtakoja ličio druskų koncentracija ir anijonų dydis. Be laidumo tyrimo optimizavimo, įpurškamo skysčio kiekis ir mirkymo laikas po įpurškimo taip pat tiesiogiai veikia vidinę akumuliatoriaus varžą. Nedidelis įpurškiamas skysčio kiekis arba nepakankamas mirkymo laikas gali sukelti per didelę baterijos vidinę varžą ir taip paveikti akumuliatoriaus talpą.

Naudojimo sąlygų įtaka

Temperatūra

Temperatūros įtaka vidinės varžos dydžiui yra akivaizdi. Kuo žemesnė temperatūra, tuo lėtesnis jonų pernešimas akumuliatoriaus viduje ir tuo didesnė vidinė akumuliatoriaus varža. Baterijų varža gali būti suskirstyta į tūrinę varžą, SEI plėvelės varžą ir įkrovimo perdavimo varžą. Tūrinei varžai ir SEI plėvelės varžai daugiausia įtakos turi elektrolito jonų laidumas, o jų kitimo tendencija žemoje temperatūroje atitinka elektrolito laidumo kitimo tendenciją. Palyginti su tūrinės varžos ir SEI plėvelės atsparumo padidėjimu žemoje temperatūroje, įkrovos reakcijos varža žymiai padidėja mažėjant temperatūrai. Žemesnėje nei -20 ℃ temperatūroje įkrovimo reakcijos varža sudaro beveik 100% visos akumuliatoriaus vidinės varžos.

SOC

Kai akumuliatorius turi skirtingą SOC, jo vidinės varžos dydis taip pat skiriasi, ypač nuolatinės srovės vidinė varža tiesiogiai veikia akumuliatoriaus galią, o tai atspindi tikrąjį akumuliatoriaus veikimą. Ličio baterijų nuolatinės srovės vidinė varža didėja didėjant akumuliatoriaus iškrovimo gyliui DOD, o vidinė varžos dydis iš esmės nesikeičia nuo 10% iki 80% iškrovos diapazone. Paprastai vidinė varža žymiai padidėja esant gilesniam iškrovimo gyliui.

Sandėliavimas

Didėjant ličio jonų akumuliatorių laikymo laikui, akumuliatoriai ir toliau sensta, o jų vidinė varža didėja. Skirtingų tipų ličio baterijų vidinės varžos kitimo laipsnis skiriasi. Po 9–10 laikymo mėnesių LFP akumuliatorių vidinė varžos padidėjimo sparta yra didesnė nei NCA ir NCM baterijų. Vidinio pasipriešinimo padidėjimas yra susijęs su laikymo trukme, laikymo temperatūra ir laikymo SOC

Ciklas

Nesvarbu, ar tai saugojimas, ar važiavimas dviračiu, temperatūros įtaka vidinei akumuliatoriaus varžai yra pastovi. Kuo aukštesnė ciklo temperatūra, tuo didesnis vidinio pasipriešinimo padidėjimas. Skirtingų ciklų intervalų įtaka vidinei baterijų varžai taip pat yra skirtinga. Akumuliatorių vidinė varža sparčiai didėja didėjant įkrovimo ir iškrovimo gyliui, o vidinio pasipriešinimo didėjimas yra tiesiogiai proporcingas įkrovimo ir iškrovimo gylio stiprėjimui. Be įkrovimo ir iškrovimo gylio įtakos ciklo metu, įtaką turi ir įkrovimo ribinė įtampa: per žema arba per aukšta viršutinė įkrovimo įtampos riba padidins elektrodo sąsajos varžą, o per maža Viršutinė ribinė įtampa negali gerai suformuoti pasyvinės plėvelės, o per didelė viršutinė ribinė įtampa privers elektrolitą oksiduotis ir suirti ant LiFePO4 elektrodo paviršiaus, kad susidarytų mažo laidumo produktai.

Kita

Automobilių ličio baterijos neišvengiamai patiria blogas kelio sąlygas praktiškai, tačiau tyrimai parodė, kad vibracinė aplinka beveik neturi įtakos vidiniam ličio akumuliatorių atsparumui taikymo proceso metu.

Laukimas

Vidinė varža yra svarbus parametras matuojant ličio jonų baterijų galią ir įvertinant jų naudojimo trukmę. Kuo didesnė vidinė varža, tuo prastesnis akumuliatoriaus veikimo greitis ir tuo greičiau jis didėja sandėliuojant ir važiuojant dviračiu. Vidinė varža yra susijusi su akumuliatoriaus struktūra, medžiagos savybėmis ir gamybos procesu ir kinta priklausomai nuo aplinkos temperatūros ir įkrovos būklės pokyčių. Todėl mažos vidinės varžos baterijų kūrimas yra raktas į akumuliatoriaus energijos efektyvumo gerinimą, o baterijos vidinės varžos pokyčių įsisavinimas yra labai svarbus numatant baterijos veikimo laiką.