શિયાળો આવી રહ્યો છે, લિથિયમ-આયન બેટરીના નીચા-તાપમાન વિશ્લેષણની ઘટના જુઓ

લિથિયમ-આયન બેટરીનું પ્રદર્શન તેમની ગતિશીલ લાક્ષણિકતાઓ દ્વારા ખૂબ પ્રભાવિત થાય છે. કારણ કે જ્યારે લી+ને ગ્રેફાઇટ સામગ્રીમાં એમ્બેડ કરવામાં આવે છે ત્યારે તેને પ્રથમ વિસર્જન કરવાની જરૂર છે, તેને ચોક્કસ માત્રામાં ઉર્જાનો વપરાશ કરવાની જરૂર છે અને ગ્રેફાઇટમાં લિ+ના પ્રસારને અવરોધે છે. તેનાથી વિપરિત, જ્યારે લિ+ ગ્રેફાઇટ સામગ્રીમાંથી સોલ્યુશનમાં મુક્ત થાય છે, ત્યારે સોલ્વેશન પ્રક્રિયા પ્રથમ થશે, અને ઉકેલની પ્રક્રિયાને ઊર્જા વપરાશની જરૂર નથી. Li+ ગ્રેફાઇટને ઝડપથી દૂર કરી શકે છે, જે ગ્રેફાઇટ સામગ્રીની નોંધપાત્ર રીતે નબળી ચાર્જ સ્વીકૃતિ તરફ દોરી જાય છે. સ્રાવ સ્વીકાર્યતા માં.

નીચા તાપમાને, નકારાત્મક ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડની ગતિશીલ લાક્ષણિકતાઓ સુધરી છે અને વધુ ખરાબ બની છે. તેથી, ચાર્જિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડનું ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ધ્રુવીકરણ નોંધપાત્ર રીતે તીવ્ર બને છે, જે સરળતાથી નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી પર મેટાલિક લિથિયમના અવક્ષેપ તરફ દોરી શકે છે. ટેકનિકલ યુનિવર્સિટી ઓફ મ્યુનિક, જર્મનીના ક્રિશ્ચિયન વોન લ્યુડર્સ દ્વારા કરવામાં આવેલા સંશોધનમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે -2°C પર, ચાર્જ દર C/2 કરતાં વધી જાય છે અને મેટલ લિથિયમ અવક્ષેપનું પ્રમાણ નોંધપાત્ર રીતે વધી જાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, C/2 દરે, વિરોધી ઇલેક્ટ્રોડ સપાટી પર લિથિયમ પ્લેટિંગનું પ્રમાણ સમગ્ર ચાર્જ જેટલું છે. ક્ષમતાના 5.5% પરંતુ 9C મેગ્નિફિકેશન હેઠળ 1% સુધી પહોંચશે. અવક્ષેપિત મેટાલિક લિથિયમ વધુ વિકસી શકે છે અને અંતે લિથિયમ ડેંડ્રાઈટ્સ બની શકે છે, જે ડાયાફ્રેમ દ્વારા વેધન કરે છે અને સકારાત્મક અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ્સનું શોર્ટ-સર્ક્યુટીંગ કરે છે. તેથી, શક્ય તેટલું ઓછા તાપમાને લિથિયમ-આયન બેટરીને ચાર્જ કરવાનું ટાળવું જરૂરી છે. જ્યારે બેટરીને નીચા તાપમાને ચાર્જ કરવી આવશ્યક છે, ત્યારે લિથિયમ-આયન બેટરીને શક્ય તેટલી ચાર્જ કરવા માટે એક નાનો પ્રવાહ પસંદ કરવો જરૂરી છે અને ચાર્જ કર્યા પછી લિથિયમ-આયન બેટરીને સંપૂર્ણ રીતે સંગ્રહિત કરવાની ખાતરી કરવા માટે નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાંથી મેટાલિક લિથિયમ અવક્ષેપિત થાય છે. ગ્રેફાઇટ સાથે પ્રતિક્રિયા કરી શકે છે અને નકારાત્મક ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડમાં ફરીથી એમ્બેડ કરી શકે છે.

વેરોનિકા ઝિન્થ અને મ્યુનિકની ટેકનિકલ યુનિવર્સિટીના અન્ય લોકોએ -20 °C ના નીચા તાપમાને લિથિયમ-આયન બેટરીના લિથિયમ ઉત્ક્રાંતિ વર્તનનો અભ્યાસ કરવા માટે ન્યુટ્રોન વિવર્તન અને અન્ય પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કર્યો. તાજેતરના વર્ષોમાં ન્યુટ્રોન વિવર્તન એ એક નવી શોધ પદ્ધતિ છે. XRD ની તુલનામાં, ન્યુટ્રોન વિવર્તન પ્રકાશ તત્વો (Li, O, N, વગેરે) માટે વધુ સંવેદનશીલ છે, તેથી તે લિથિયમ-આયન બેટરીના બિન-વિનાશક પરીક્ષણ માટે ખૂબ જ યોગ્ય છે.

પ્રયોગમાં, VeronikaZinth એ નીચા તાપમાને લિથિયમ-આયન બેટરીના લિથિયમ ઉત્ક્રાંતિ વર્તનનો અભ્યાસ કરવા માટે NMC111/ગ્રાફાઈટ 18650 બેટરીનો ઉપયોગ કર્યો. નીચેની આકૃતિમાં દર્શાવેલ પ્રક્રિયા અનુસાર ટેસ્ટ દરમિયાન બેટરી ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ થાય છે.

નીચેનો આંકડો C/30 દર ચાર્જિંગ પર બીજા ચાર્જિંગ ચક્ર દરમિયાન વિવિધ SoCs હેઠળ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડના તબક્કામાં ફેરફાર દર્શાવે છે. એવું લાગે છે કે 30.9% SoC પર, નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડના તબક્કાઓ મુખ્યત્વે LiC12, Li1-XC18, અને LiC6 રચનાની થોડી માત્રા છે; SoC 46% થી વધી જાય પછી, LiC12 ની વિવર્તનની તીવ્રતા સતત ઘટતી જાય છે, જ્યારે LiC6 ની શક્તિ સતત વધતી જાય છે. જો કે, અંતિમ ચાર્જ પૂર્ણ થયા પછી પણ, નીચા તાપમાને માત્ર 1503mAh ચાર્જ થાય છે (રૂમના તાપમાને ક્ષમતા 1950mAh છે), LiC12 નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે. ધારો કે ચાર્જિંગ કરંટ ઘટીને C/100 થયો છે. તે કિસ્સામાં, બેટરી હજુ પણ નીચા તાપમાને 1950mAh ની ક્ષમતા મેળવી શકે છે, જે સૂચવે છે કે નીચા તાપમાને લિથિયમ-આયન બેટરીની શક્તિમાં ઘટાડો મુખ્યત્વે ગતિની સ્થિતિના બગાડને કારણે છે.

નીચેની આકૃતિ -5°C ના નીચા તાપમાને C/20 દર અનુસાર ચાર્જિંગ દરમિયાન નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં ગ્રેફાઇટના તબક્કામાં ફેરફાર દર્શાવે છે. તે જોઈ શકે છે કે C/30 રેટ ચાર્જિંગની સરખામણીમાં ગ્રેફાઇટના તબક્કામાં ફેરફાર નોંધપાત્ર રીતે અલગ છે. તે આકૃતિ પરથી જોઈ શકાય છે કે જ્યારે SoC>40%, C/12 ચાર્જ રેટ હેઠળ બેટરી LiC5 ની ફેઝ સ્ટ્રેન્થ નોંધપાત્ર રીતે ધીમી પડે છે, અને LiC6 ફેઝ સ્ટ્રેન્થનો વધારો પણ C/30 કરતા ઘણો નબળો હોય છે. ચાર્જ દર. તે દર્શાવે છે કે C/5 ના પ્રમાણમાં ઊંચા દરે, ઓછા LiC12 લિથિયમને ઇન્ટરકેલેટ કરવાનું ચાલુ રાખે છે અને LiC6 માં રૂપાંતરિત થાય છે.

નીચેની આકૃતિ અનુક્રમે C/30 અને C/5 દરો પર ચાર્જ કરતી વખતે નકારાત્મક ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડના તબક્કાના ફેરફારોની તુલના કરે છે. આકૃતિ બતાવે છે કે બે અલગ અલગ ચાર્જિંગ દરો માટે, લિથિયમ-ગરીબ તબક્કો Li1-XC18 ખૂબ સમાન છે. તફાવત મુખ્યત્વે LiC12 અને LiC6 ના બે તબક્કામાં પ્રતિબિંબિત થાય છે. તે આકૃતિ પરથી જોઈ શકાય છે કે બે ચાર્જ દરો હેઠળ ચાર્જિંગના પ્રારંભિક તબક્કામાં નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં તબક્કામાં ફેરફારનું વલણ પ્રમાણમાં નજીક છે. LiC12 તબક્કા માટે, જ્યારે ચાર્જિંગ ક્ષમતા 950mAh (49% SoC) સુધી પહોંચે છે, ત્યારે બદલાતા વલણ અલગ દેખાવા લાગે છે. જ્યારે તે 1100mAh (56.4% SoC) આવે છે, ત્યારે બે વિસ્તરણ હેઠળનો LiC12 તબક્કો નોંધપાત્ર અંતર દર્શાવવાનું શરૂ કરે છે. C/30 ના નીચા દરે ચાર્જ કરતી વખતે, LiC12 તબક્કાનો ઘટાડો ખૂબ જ ઝડપી છે, પરંતુ C/12 દરે LiC5 તબક્કાનો ઘટાડો ઘણો ધીમો છે; એટલે કે, નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં લિથિયમ દાખલ કરવાની ગતિશીલ સ્થિતિ નીચા તાપમાને બગડે છે. , જેથી LiC12 વધુ ઇન્ટરકેલેટ્સ લિથિયમ પેદા કરવા માટે LiC6 તબક્કાની ઝડપમાં ઘટાડો થયો. અનુરૂપ, LiC6 તબક્કો C/30 ના નીચા દરે ખૂબ જ ઝડપથી વધે છે પરંતુ C/5 ના દરે ઘણો ધીમો છે. આ બતાવે છે કે C/5 દરે, ગ્રેફાઇટના ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચરમાં વધુ પીટાઇટ લિ એમ્બેડ કરવામાં આવે છે, પરંતુ રસપ્રદ વાત એ છે કે C/1520.5 ચાર્જ દરે બેટરીની ચાર્જ ક્ષમતા (5mAh) C કરતાં વધુ છે. /30 ચાર્જ દર. પાવર (1503.5mAh) વધારે છે. નકારાત્મક ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડમાં એમ્બેડેડ ન હોય તે વધારાની Li ગ્રેફાઇટ સપાટી પર મેટાલિક લિથિયમના સ્વરૂપમાં અવક્ષેપિત થવાની સંભાવના છે. ચાર્જિંગના અંત પછી સ્ટેન્ડિંગ પ્રોસેસ પણ આ બાજુથી સાબિત કરે છે-થોડું.

નીચેનો આંકડો ચાર્જ કર્યા પછી અને 20 કલાક બાકી રહ્યા પછી નકારાત્મક ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડના તબક્કાનું માળખું દર્શાવે છે. ચાર્જિંગના અંતે, નકારાત્મક ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડનો તબક્કો બે ચાર્જિંગ દરો હેઠળ ખૂબ જ અલગ છે. C/5 પર, ગ્રેફાઇટ એનોડમાં LiC12 નો ગુણોત્તર વધારે છે, અને LiC6 ની ટકાવારી ઓછી છે, પરંતુ 20 કલાક ઊભા રહ્યા પછી, બંને વચ્ચેનો તફાવત ન્યૂનતમ બની ગયો છે.

નીચેની આકૃતિ 20 કલાકની સંગ્રહ પ્રક્રિયા દરમિયાન નકારાત્મક ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડના તબક્કામાં ફેરફાર દર્શાવે છે. તે આકૃતિ પરથી જોઈ શકે છે કે બે વિરોધી ઈલેક્ટ્રોડના તબક્કાઓ હજુ પણ શરૂઆતમાં ખૂબ જ અલગ છે, તેમ તેમ સંગ્રહ સમય વધે છે, બે પ્રકારના ચાર્જિંગ ગ્રેફાઈટ એનોડનું સ્ટેજ મેગ્નિફિકેશન હેઠળ ખૂબ નજીકથી બદલાઈ ગયું છે. શેલ્વિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન LiC12 એ LiC6 માં રૂપાંતરિત થવાનું ચાલુ રાખી શકે છે, જે દર્શાવે છે કે શેલ્વિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન Li ગ્રેફાઇટમાં એમ્બેડ કરવાનું ચાલુ રાખશે. લિનો આ ભાગ નીચા તાપમાને નકારાત્મક ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી પર મેટાલિક લિથિયમ પ્રક્ષેપિત હોવાની શક્યતા છે. વધુ વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે C/30 દરે ચાર્જિંગના અંતે, નકારાત્મક ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડના લિથિયમ ઇન્ટરકેલેશનની ડિગ્રી 68% હતી. તેમ છતાં, લિથિયમ ઇન્ટરકેલેશનની ડિગ્રી શેલ્વિંગ પછી 71% સુધી વધી, 3% નો વધારો. C/5 દરે ચાર્જિંગના અંતે, નેગેટિવ ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડની લિથિયમ નિવેશ ડિગ્રી 58% હતી, પરંતુ 20 કલાક બાકી રહ્યા પછી, તે વધીને 70% થઈ ગઈ, કુલ 12% નો વધારો.

ઉપરોક્ત સંશોધન દર્શાવે છે કે નીચા તાપમાને ચાર્જ કરતી વખતે, ગતિની સ્થિતિ બગડવાને કારણે બેટરીની ક્ષમતા ઘટશે. તે ગ્રેફાઇટ લિથિયમ નિવેશ દરમાં ઘટાડો થવાને કારણે નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી પર લિથિયમ ધાતુને પણ અવક્ષેપિત કરશે. જો કે, સંગ્રહના સમયગાળા પછી, મેટાલિક લિથિયમનો આ ભાગ ફરીથી ગ્રેફાઇટમાં એમ્બેડ કરી શકાય છે; વાસ્તવિક ઉપયોગમાં, શેલ્ફનો સમય ઘણીવાર ઓછો હોય છે, અને તમામ મેટાલિક લિથિયમ ફરીથી ગ્રેફાઇટમાં એમ્બેડ થઈ શકે તેની કોઈ ગેરેંટી હોતી નથી, તેથી તે નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં કેટલાક મેટાલિક લિથિયમનું અસ્તિત્વ ચાલુ રાખવાનું કારણ બની શકે છે. લિથિયમ-આયન બેટરીની સપાટી લિથિયમ-આયન બેટરીની ક્ષમતાને અસર કરશે અને લિથિયમ ડેંડ્રાઇટ્સ ઉત્પન્ન કરી શકે છે જે લિથિયમ-આયન બેટરીની સલામતીને જોખમમાં મૂકે છે. તેથી, ઓછા તાપમાને લિથિયમ-આયન બેટરીને ચાર્જ કરવાનું ટાળવાનો પ્રયાસ કરો. ઓછો પ્રવાહ, અને સેટ કર્યા પછી, નકારાત્મક ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડમાં મેટલ લિથિયમને દૂર કરવા માટે પૂરતા શેલ્ફ સમયની ખાતરી કરો.

આ લેખ મુખ્યત્વે નીચેના દસ્તાવેજોનો સંદર્ભ આપે છે. રિપોર્ટનો ઉપયોગ માત્ર સંબંધિત વૈજ્ઞાનિક કાર્યો, વર્ગખંડમાં શિક્ષણ અને વૈજ્ઞાનિક સંશોધનની રજૂઆત અને સમીક્ષા કરવા માટે થાય છે. વ્યવસાયિક ઉપયોગ માટે નથી. જો તમને કોઈ કૉપિરાઇટ સમસ્યાઓ હોય, તો કૃપા કરીને અમારો સંપર્ક કરવા માટે નિઃસંકોચ.

1.લિથિયમ-આયન કેપેસિટરમાં નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે ગ્રેફાઇટ સામગ્રીની ક્ષમતાને રેટ કરો,ઇલેક્ટ્રોચિમિકા એક્ટા 55 (2010) 3330 - 3335 , SRSivakkumar,JY Nerkar,AG Pandolfo

2. લિથિયમ-આયન બેટરીમાં લિથિયમ પ્લેટિંગ વોલ્ટેજ રિલેક્સેશન અને સિટુ ન્યુટ્રોન ડિફ્રેક્શન દ્વારા તપાસ કરવામાં આવે છે, જર્નલ ઓફ પાવર સોર્સિસ 342(2017)17-23, ક્રિશ્ચિયન વોન લ્યુડર્સ, વેરોનિકા ઝિન્થ, સિમોન વી. એર્હાર્ડ, પેટ્રિક જે. ઓસ્વાલ્ડ, માઈકલ હોફમેન , રાલ્ફ ગિલ્સ, એન્ડ્રેસ જોસેન

3. લિથિયમ-આયન બેટરીમાં લિથિયમ પ્લેટિંગની તપાસ સબ-એમ્બિયન્ટ તાપમાનમાં સિટુ ન્યુટ્રોન ડિફ્રેક્શન, જર્નલ ઓફ પાવર સોર્સીસ 271 (2014) 152-159, વેરોનિકા ઝિન્થ, ક્રિશ્ચિયન વોન લ્યુડર્સ, માઈકલ હોફમેન, જોહાન્સ હેટેનડોર્ફ, ઇર્મગેરડૉર્ફ, બૉર્ડનબર્ગ એરહાર્ડ, જોઆના રેબેલો-કોર્નમીયર, એન્ડ્રેસ જોસેન, રાલ્ફ ગિલ્સ