Mehanizam prepunjavanja litijumske baterije i mjere protiv prepunjavanja (2)

U ovom radu se kroz eksperimente i simulacije proučava učinak prekomjernog punjenja 40Ah pouch baterije s pozitivnom elektrodom NCM111+LMO.Struje prepunjavanja su 0,33C, 0,5C i 1C, respektivno.Veličina baterije je 240mm * 150mm * 14mm.(izračunato prema nazivnom naponu od 3,65V, njegova zapreminska specifična energija je oko 290Wh/L, što je još uvijek relativno malo)

Promene napona, temperature i unutrašnjeg otpora tokom procesa prepunjavanja prikazane su na slici 1. Može se grubo podeliti u četiri faze:

Prva faza: 1

Druga faza: 1.2

Treća faza: 1.4

Četvrta faza: SOC>1,6, unutrašnji pritisak baterije prelazi granicu, kućište puca, dijafragma se skuplja i deformiše, a baterija termički bježi.Unutar baterije dolazi do kratkog spoja, velika količina energije se brzo oslobađa, a temperatura baterije naglo raste do 780°C.

Toplota nastala tokom procesa prepunjavanja uključuje: reverzibilnu entropijsku toplotu, džulovu toplotu, toplotu hemijske reakcije i toplotu oslobođenu unutrašnjim kratkim spojem.Toplina kemijske reakcije uključuje toplinu oslobođenu otapanjem Mn, reakciju metalnog litija s elektrolitom, oksidaciju elektrolita, razgradnju SEI filma, razgradnju negativne elektrode i razgradnju pozitivne elektrode (NCM111 i LMO).Tabela 1 pokazuje promjenu entalpije i energiju aktivacije svake reakcije.(Ovaj članak zanemaruje nuspojave veziva)

Slika 3 je poređenje brzine stvaranja toplote tokom prepunjavanja sa različitim strujama punjenja.Iz slike 3 mogu se izvući sljedeći zaključci:

1) Kako se struja punjenja povećava, vrijeme termičkog bijega raste.

2) Proizvodnjom toplote tokom prepunjavanja dominira Joule toplota.SOC<1,2, ukupna proizvodnja toplote je u osnovi jednaka Joule toploti.

3) U drugoj fazi (1

4) SOC>1,45, toplina oslobođena reakcijom metalnog litijuma i elektrolita će premašiti Jouleovu toplinu.

5) Kada SOC>1,6, počinje reakcija razlaganja između SEI filma i negativne elektrode, brzina proizvodnje topline reakcije oksidacije elektrolita naglo se povećava, a ukupna brzina proizvodnje topline dostiže vršnu vrijednost.(Opisi u 4. i 5. u literaturi su donekle neusklađeni sa slikama, a slike ovdje će prevladati i prilagođene su.)

6) Tokom procesa prepunjavanja, reakcija metalnog litijuma sa elektrolitom i oksidacija elektrolita su glavne reakcije.

Kroz gornju analizu, oksidacijski potencijal elektrolita, kapacitet negativne elektrode i početna temperatura termičkog bijega su tri ključna parametra za prekomjerno punjenje.Slika 4 prikazuje uticaj tri ključna parametra na performanse prekomernog punjenja.Može se vidjeti da povećanje oksidacionog potencijala elektrolita može uvelike poboljšati performanse prepunjavanja baterije, dok kapacitet negativne elektrode ima mali utjecaj na performanse prepunjavanja.(Drugim riječima, visokonaponski elektrolit pomaže u poboljšanju performansi prekomjernog punjenja baterije, a povećanje N/P omjera ima mali utjecaj na performanse prekomjernog punjenja baterije.)

Reference

D. Ren i dr.Časopis za izvore energije 364(2017) 328-340