مکانیسم شارژ بیش از حد باتری لیتیومی و اقدامات ضد شارژ بیش از حد (2)

در این مقاله، عملکرد شارژ بیش از حد یک باتری کیسه‌ای 40 آمپر ساعتی با الکترود مثبت NCM111+LMO از طریق آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.جریان اضافه شارژ به ترتیب 0.33C، 0.5C و 1C است.اندازه باتری 240 میلی متر * 150 میلی متر * 14 میلی متر است.(با توجه به ولتاژ نامی 3.65 ولت محاسبه می شود، انرژی ویژه حجم آن حدود 290 وات ساعت در لیتر است که هنوز نسبتاً کم است)

تغییرات ولتاژ، دما و مقاومت داخلی در طول فرآیند شارژ اضافه در تصویر 1 نشان داده شده است. تقریباً می توان آن را به چهار مرحله تقسیم کرد:

مرحله اول: 1

مرحله دوم: 1.2

مرحله سوم: 1.4

مرحله چهارم: SOC> 1.6، فشار داخلی باتری از حد مجاز فراتر می رود، پوشش پاره می شود، دیافراگم منقبض می شود و تغییر شکل می دهد و حرارت باتری فرار می کند.یک اتصال کوتاه در داخل باتری رخ می دهد، مقدار زیادی انرژی به سرعت آزاد می شود و دمای باتری به شدت به 780 درجه سانتی گراد افزایش می یابد.

گرمای تولید شده در طی فرآیند شارژ بیش از حد شامل: گرمای آنتروپی برگشت پذیر، گرمای ژول، گرمای واکنش شیمیایی و گرمای آزاد شده توسط اتصال کوتاه داخلی است.گرمای واکنش شیمیایی شامل گرمای آزاد شده از انحلال منگنز، واکنش لیتیوم فلزی با الکترولیت، اکسیداسیون الکترولیت، تجزیه فیلم SEI، تجزیه الکترود منفی و تجزیه الکترود مثبت است. (NCM111 و LMO).جدول 1 تغییر آنتالپی و انرژی فعال سازی هر واکنش را نشان می دهد.(این مقاله واکنش های جانبی بایندرها را نادیده می گیرد)

تصویر 3 مقایسه نرخ تولید گرما در هنگام شارژ بیش از حد با جریان های شارژ مختلف است.نتایج زیر را می توان از تصویر 3 گرفت:

1) با افزایش جریان شارژ، زمان فرار حرارتی پیشرفت می کند.

2) تولید گرما در طول شارژ بیش از حد تحت تأثیر گرمای ژول است.SOC<1.2، کل تولید گرما اساساً برابر با گرمای ژول است.

3) در مرحله دوم (1

4) SOC> 1.45، گرمای آزاد شده توسط واکنش فلز لیتیوم و الکترولیت از حرارت ژول فراتر خواهد رفت.

5) هنگامی که SOC> 1.6، واکنش تجزیه بین فیلم SEI و الکترود منفی شروع می شود، نرخ تولید گرما واکنش اکسیداسیون الکترولیت به شدت افزایش می یابد و نرخ تولید حرارت کل به مقدار اوج می رسد.(توضیحات 4 و 5 در ادبیات تا حدودی با تصاویر ناسازگار است و تصاویر در اینجا غالب بوده و تنظیم شده اند.)

6) در طی فرآیند شارژ بیش از حد، واکنش فلز لیتیوم با الکترولیت و اکسیداسیون الکترولیت، واکنش های اصلی هستند.

از طریق تجزیه و تحلیل فوق، پتانسیل اکسیداسیون الکترولیت، ظرفیت الکترود منفی و دمای شروع فرار حرارتی سه پارامتر کلیدی برای شارژ بیش از حد هستند.تصویر 4 تاثیر سه پارامتر کلیدی را بر عملکرد اضافه شارژ نشان می دهد.مشاهده می شود که افزایش پتانسیل اکسیداسیون الکترولیت می تواند عملکرد شارژ بیش از حد باتری را تا حد زیادی بهبود بخشد، در حالی که ظرفیت الکترود منفی تأثیر کمی بر عملکرد شارژ اضافی دارد.(به عبارت دیگر، الکترولیت ولتاژ بالا به بهبود عملکرد شارژ بیش از حد باتری کمک می کند و افزایش نسبت N/P تأثیر کمی بر عملکرد شارژ بیش از حد باتری دارد.)

منابع

D. Ren و همکاران.مجله منابع برق 364(2017) 328-340