Liitium-ioonakude sisetakistust mõjutavad tegurid

Liitium-ioonakude sisetakistust mõjutavad tegurid

Liitiumakude kasutamisel nende jõudlus langeb jätkuvalt, mis väljendub peamiselt võimsuse vähenemisena, sisetakistuse suurenemisena, võimsuse vähenemisena jne. Aku sisetakistuse muutusi mõjutavad erinevad kasutustingimused nagu temperatuur ja tühjenemissügavus. Seetõttu töötati välja tegurid, mis mõjutavad aku sisemist takistust aku struktuuri disaini, tooraine jõudluse, tootmisprotsessi ja kasutustingimuste osas.

Takistus on takistus, mida kogeb töö ajal liitiumaku sisemust läbiv vool. Tavaliselt jagatakse liitiumakude sisetakistus oomiliseks sisetakistuseks ja polariseeritud sisetakistuseks. Ohmiline sisetakistus koosneb elektroodi materjalist, elektrolüüdist, diafragma takistusest ja erinevate osade kontakttakistusest. Polarisatsiooni sisetakistus viitab takistusele, mis on põhjustatud polarisatsioonist elektrokeemiliste reaktsioonide käigus, sealhulgas elektrokeemilise polarisatsiooni sisetakistus ja kontsentratsiooni polarisatsiooni sisetakistus. Aku oomilise sisetakistuse määrab aku kogujuhtivus ja aku polarisatsiooni sisetakistuse määrab liitiumioonide tahkisdifusioonikoefitsient elektroodi aktiivses materjalis.

Ohmiline takistus

Ohmiline sisetakistus jaguneb peamiselt kolmeks osaks: ioonitakistus, elektrontakistus ja kontakttakistus. Loodame, et liitiumpatareide sisetakistus väheneb nende väiksemaks muutudes, seega tuleb nendest kolmest aspektist lähtuvalt oomilise sisetakistuse vähendamiseks võtta kasutusele konkreetsed meetmed.

Ioonide impedants

Liitiumaku ioontakistus viitab takistusele, mida kogeb liitiumioonide ülekandmine akus. Liitiumioonide migratsioonikiirus ja elektronide juhtivuse kiirus mängivad liitiumpatareides võrdselt olulist rolli ning ioonide impedantsi mõjutavad peamiselt positiivsed ja negatiivsed elektroodide materjalid, separaatorid ja elektrolüüt. Ioonide impedantsi vähendamiseks tuleb järgida järgmisi punkte:

Veenduge, et positiivse ja negatiivse elektroodi materjalid ja elektrolüüt oleksid hästi märguvad

Elektroodi projekteerimisel on vaja valida sobiv tihendustihedus. Kui tihendustihedus on liiga kõrge, ei ole elektrolüüti lihtne leotada ja see suurendab ioonide impedantsi. Kui negatiivse elektroodi puhul on esimese laadimise ja tühjenemise ajal aktiivse materjali pinnale moodustunud SEI-kile liiga paks, suurendab see ka ioonide impedantsi. Sel juhul on probleemi lahendamiseks vaja aku moodustamise protsessi reguleerida.

Elektrolüüdi mõju

Elektrolüüdil peab olema sobiv kontsentratsioon, viskoossus ja juhtivus. Kui elektrolüüdi viskoossus on liiga kõrge, ei soodusta see infiltratsiooni selle ning positiivsete ja negatiivsete elektroodide toimeainete vahel. Samal ajal vajab elektrolüüt ka madalamat kontsentratsiooni, mis on samuti ebasoodne selle voolavusele ja infiltratsioonile, kui kontsentratsioon on liiga kõrge. Elektrolüüdi juhtivus on kõige olulisem ioonide impedantsi mõjutav tegur, mis määrab ioonide migratsiooni.

Diafragma mõju ioonide impedantsile

Membraani peamised ioonitakistust mõjutavad tegurid on järgmised: elektrolüütide jaotus membraanis, membraani pindala, paksus, pooride suurus, poorsus ja käänulisuse koefitsient. Keraamiliste membraanide puhul on samuti vaja vältida keraamiliste osakeste ummistumist diafragma poore, mis ei soodusta ioonide läbipääsu. Hoolitsedes samal ajal, et elektrolüüt imbub täielikult membraani, ei tohiks sellesse jääda elektrolüüdi jääke, mis vähendab elektrolüüdi kasutamise tõhusust.

Elektrooniline impedants

Elektroonilist takistust mõjutavad paljud tegurid ja täiustusi saab teha selliste aspektide põhjal nagu materjalid ja protsessid.

Positiivsed ja negatiivsed elektroodplaadid

Peamised positiivsete ja negatiivsete elektroodiplaatide elektroonilist takistust mõjutavad tegurid on: pinge all oleva materjali ja kollektori vaheline kontakt, pinge all oleva materjali enda tegurid ja elektroodiplaadi parameetrid. Elusmaterjal peab olema täielikus kontaktis kollektori pinnaga, mida saab arvestada kollektori vaskfooliumi, alumiiniumfooliumi põhimiku ning positiivse ja negatiivse elektroodi läga nakkumisega. Elusmaterjali enda poorsus, osakeste pindmised kõrvalsaadused ja ebaühtlane segunemine juhtivate ainetega võivad kõik põhjustada muutusi elektroonilises impedantsis. Elektroodiplaadi parameetrid, nagu elusaine madal tihedus ja suured osakeste vahed, ei soodusta elektronide juhtivust.

Eraldajad

Diafragma peamised elektroonilist impedantsi mõjutavad tegurid on: membraani paksus, poorsus ja laadimis- ja tühjendusprotsessi kõrvalsaadused. Esimesest kahest on lihtne aru saada. Pärast akuelemendi lahtivõtmist avastatakse sageli, et diafragmal on paks kiht pruuni materjali, sealhulgas negatiivne grafiitelektrood ja selle reaktsiooni kõrvalsaadused, mis võivad põhjustada membraani ava ummistumist ja lühendada aku kasutusiga.

Vedelikku koguv substraat

Materjal, paksus, laius ja kollektori ja elektroodi kontakti aste võivad kõik mõjutada elektroonilist takistust. Vedeliku kogumiseks on vaja valida substraat, mis pole oksüdeeritud ega passiveeritud, vastasel juhul mõjutab see impedantsi suurust. Halb jootmine vasest alumiiniumfooliumi ja elektroodi kõrvade vahel võib samuti mõjutada elektroonilist takistust.

Kontakttakistus

Kontakttakistus moodustub vask-alumiiniumfooliumi ja pingestatud materjali kokkupuute vahel ning on vaja keskenduda positiivse ja negatiivse elektroodi pasta adhesioonile.

Polarisatsiooni sisetakistus

Elektroodi polarisatsiooniks nimetatakse nähtust, kus elektroodi potentsiaal kaldub kõrvale elektroodi tasakaalupotentsiaalist voolu läbimisel. Polarisatsioon hõlmab oomilist polarisatsiooni, elektrokeemilist polarisatsiooni ja kontsentratsiooni polarisatsiooni. Polarisatsioonitakistus viitab sisemisele takistusele, mis on põhjustatud aku positiivse ja negatiivse elektroodi vahelisest polarisatsioonist elektrokeemiliste reaktsioonide käigus. See võib peegeldada aku konsistentsi, kuid ei sobi tootmiseks toimingute ja meetodite mõju tõttu. Polarisatsiooni sisetakistus ei ole konstantne ja muutub laadimis- ja tühjendusprotsessi ajal aja jooksul pidevalt. Seda seetõttu, et toimeainete koostis, elektrolüüdi kontsentratsioon ja temperatuur muutuvad pidevalt. Ohmiline sisetakistus järgib oomiseadust ja polarisatsiooni sisetakistus suureneb voolutiheduse kasvades, kuid see ei ole lineaarne seos. Sageli suureneb see lineaarselt voolutiheduse logaritmiga.

Struktuurse disaini mõju

Aku konstruktsioonide projekteerimisel mõjutavad lisaks aku konstruktsioonikomponentide endi neetimisele ja keevitamisele otseselt aku sisemist takistust aku kõrva arv, suurus, asend ja muud tegurid. Mingil määral võib polaarkõrvade arvu suurendamine tõhusalt vähendada aku sisemist takistust. Masti kõrva asend mõjutab ka aku sisemist takistust. Mähise aku, mille pooluse kõrva asend asub positiivse ja negatiivse pooluse otsas, on suurima sisetakistusega ning mähise akuga võrreldes võrdub virnastatud aku kümnete paralleelsete väikeste patareidega ning selle sisetakistus on väiksem. .

Tooraine toimivuse mõju

Positiivsed ja negatiivsed aktiivsed materjalid

Liitiumpatareides on positiivne elektroodi materjal, mis salvestab liitiumi, mis määrab aku jõudluse rohkem. Positiivse elektroodi materjal parandab peamiselt osakeste vahelist elektroonilist juhtivust katmise ja dopingu abil. Ni doping suurendab P-O sidemete tugevust, stabiliseerib LiFePO4/C struktuuri, optimeerib rakkude mahtu ja vähendab tõhusalt positiivse elektroodi materjali laengu ülekandetakistust. Aktivatsioonipolarisatsiooni märkimisväärne suurenemine, eriti negatiivse elektroodi aktiveerimise polarisatsiooni korral, on tõsise polarisatsiooni peamine põhjus. Negatiivse elektroodi osakeste suuruse vähendamine võib tõhusalt vähendada negatiivse elektroodi aktiveerimispolarisatsiooni. Kui negatiivse elektroodi tahkete osakeste suurust vähendatakse poole võrra, saab aktiveerimispolarisatsiooni vähendada 45%. Seetõttu on aku disaini seisukohalt oluline ka positiivsete ja negatiivsete elektroodide materjalide täiustamise uurimine.

Juhtiv aine

Grafiiti ja tahma kasutatakse liitiumakude valdkonnas nende suurepärase jõudluse tõttu laialdaselt. Võrreldes grafiit-tüüpi juhtivate ainetega, on tahma tüüpi juhtivate ainete lisamisel positiivsele elektroodile parem aku kiirus, kuna grafiit-tüüpi juhtivatel ainetel on osakeste morfoloogia, mis põhjustab suurel kiirusel pooride kõveruskoefitsiendi olulist suurenemist. ja on altid Li vedelfaasi difusiooni nähtusele, mis piirab tühjendusvõimet. Aku, millele on lisatud CNT-sid, on väiksema sisetakistusega, kuna võrreldes grafiidi/tahma ja aktiivmaterjali punktkontaktiga on kiudsüsinik-nanotorud aktiivse materjaliga joonel, mis võib vähendada aku liidestakistust.

Vedeliku kogumine

Kollektori ja aktiivmaterjali vahelise liidese takistuse vähendamine ja nende kahe vahelise sidetugevuse parandamine on liitiumakude jõudluse parandamise olulised vahendid. Alumiiniumfooliumi pinnale juhtiva süsinikkatte katmine ja alumiiniumfooliumi koroonatöötlusega saab tõhusalt vähendada aku liidestakistust. Võrreldes tavapärase alumiiniumfooliumiga võib süsinikkattega alumiiniumfooliumi kasutamine vähendada aku sisetakistust umbes 65% ja vähendada sisemise takistuse suurenemist kasutamise ajal. Koroonaga töödeldud alumiiniumfooliumi vahelduvvoolu sisetakistust saab vähendada umbes 20%. Tavaliselt kasutatavas vahemikus 20% kuni 90% SOC on üldine alalisvoolu sisetakistus suhteliselt väike ja selle suurenemine väheneb järk-järgult tühjendussügavuse suurenemisega.

Eraldajad

Ioonide juhtivus aku sees sõltub Li ioonide difusioonist läbi elektrolüüdis oleva poorse membraani. Membraani vedeliku imamis- ja niisutamisvõime on hea ioonivoolukanali moodustamise võti. Kui membraanil on suurem vedeliku neeldumiskiirus ja poorne struktuur, võib see parandada juhtivust, vähendada aku takistust ja parandada aku jõudlust. Võrreldes tavaliste alusmembraanidega ei suuda keraamilised membraanid ja kaetud membraanid mitte ainult oluliselt parandada membraani kõrge temperatuuri kokkutõmbumiskindlust, vaid ka suurendada selle vedeliku imendumist ja niisutamisvõimet. SiO2 keraamiliste kattekihtide lisamine PP-membraanidele võib suurendada membraani vedelikuimavusvõimet 17%. Kandke 1 PP/PE komposiitmembraanile μ PVDF-HFP m suurendab membraani imemiskiirust 70%-lt 82%-le ja raku sisetakistus väheneb rohkem kui 20%.

Akude sisemist takistust tootmisprotsessi ja kasutustingimuste osas mõjutavad peamiselt järgmised tegurid:

Protsessi tegurid mõjutavad

Läga

Pulbri dispersiooni ühtsus läga segamisel mõjutab seda, kas juhtiv aine saab aktiivses materjalis ühtlaselt dispergeerida ja sellega tihedalt kokku puutuda, mis on seotud aku sisemise takistusega. Suure kiirusega dispersiooni suurendamisega saab parandada läga dispersiooni ühtlust, mille tulemuseks on aku väiksem sisetakistus. Pindaktiivsete ainete lisamisega saab parandada juhtivate ainete jaotumise ühtlust elektroodis ja vähendada elektrokeemilist polarisatsiooni, et suurendada tühjenduskeskmise pinget.

Katmine

Pinna tihedus on aku projekteerimisel üks peamisi parameetreid. Konstantse aku mahutavuse korral vähendab elektroodi pinnatiheduse suurendamine paratamatult kollektori ja separaatori kogupikkust, samuti väheneb aku oomiline sisetakistus. Seetõttu teatud vahemikus aku sisetakistus väheneb koos pinnatiheduse suurenemisega. Lahusti molekulide migreerumine ja eraldumine katmise ja kuivatamise ajal on tihedalt seotud ahju temperatuuriga, mis mõjutab otseselt liimide ja juhtivate ainete jaotumist elektroodis, mõjutades seeläbi juhtivate võre moodustumist elektroodis. Seetõttu on katmise ja kuivatamise temperatuur samuti oluline protsess aku jõudluse optimeerimisel.

Rulli vajutamine

Teatud määral väheneb aku sisetakistus koos tihendustiheduse suurenemisega, kuna tihendustihedus suureneb, tooraineosakeste vaheline kaugus väheneb, seda rohkem on osakeste vahelist kontakti, seda rohkem on juhtivaid sildu ja kanaleid ning aku impedants väheneb. Tihendustiheduse reguleerimine saavutatakse peamiselt valtsimise paksuse kaudu. Erinevad rullimispaksused mõjutavad oluliselt akude sisetakistust. Kui rullimispaksus on suur, suureneb kontakttakistus toimeaine ja kollektori vahel, kuna toimeaine ei suuda tihedalt rullida, mille tulemusena suureneb aku sisetakistus. Ja pärast akutsüklit tekivad aku positiivse elektroodi pinnale suurema rullimispaksusega praod, mis suurendab veelgi kontakttakistust elektroodi pindaktiivse aine ja kollektori vahel.

Pole tükkide ringlusaeg

Positiivse elektroodi erinevad säilivusajad mõjutavad oluliselt aku sisetakistust. Säilitusaeg on suhteliselt lühike ja aku sisetakistus suureneb aeglaselt liitiumraudfosfaadi ja liitiumraudfosfaadi pinnal oleva süsiniku kattekihi koostoime tõttu; Pikaajalisel (üle 23 tunni) kasutamata jätmisel suureneb aku sisetakistus liitiumraudfosfaadi ja vee vahelise reaktsiooni ning liimi siduva toime koosmõju tõttu oluliselt. Seetõttu on tegelikus tootmises vaja elektroodplaatide pöörlemisaega rangelt kontrollida.

Süstimine

Elektrolüüdi ioonjuhtivus määrab aku sisemise takistuse ja kiiruse karakteristikud. Elektrolüüdi juhtivus on pöördvõrdeline lahusti viskoossusvahemikuga ning seda mõjutavad ka liitiumisoolade kontsentratsioon ja anioonide suurus. Lisaks juhtivuse uurimise optimeerimisele mõjutavad aku sisetakistust otseselt ka süstitava vedeliku kogus ja süstimisjärgne leotusaeg. Väike kogus vedelikku või ebapiisav leotusaeg võib põhjustada aku sisemise takistuse liiga kõrgeks, mõjutades seeläbi aku mahtuvust.

Kasutustingimuste mõju

Temperatuur

Temperatuuri mõju sisetakistuse suurusele on ilmne. Mida madalam on temperatuur, seda aeglasem on ioonide transport akus ja seda suurem on aku sisetakistus. Akude impedantsi saab jagada hulgitakistusteks, SEI-kiletakistusteks ja laengu ülekandetakistusteks. Mahutakistust ja SEI-kile impedantsi mõjutab peamiselt elektrolüütide ioonide juhtivus ja nende varieeruvus madalatel temperatuuridel on kooskõlas elektrolüüdi juhtivuse muutumise suundumusega. Võrreldes mahutakistuse ja SEI-kile takistuse suurenemisega madalatel temperatuuridel, suureneb laengureaktsiooni impedants temperatuuri langusega oluliselt. Alla -20 ℃ moodustab laadimisreaktsiooni impedants peaaegu 100% aku kogu sisetakistusest.

SOC

Kui akul on erinev SOC, varieerub ka selle sisetakistuse suurus, eriti mõjutab alalisvoolu sisetakistus otseselt aku võimsust, mis peegeldab aku tegelikku jõudlust. Liitiumakude alalisvoolu sisetakistus suureneb koos aku tühjenemissügavuse DOD suurenemisega ja sisemise takistuse suurus jääb põhimõtteliselt muutumatuks vahemikus 10% kuni 80%. Üldjuhul suureneb sisetakistus oluliselt sügavamal tühjendussügavusel.

Säilitamine

Liitium-ioonakude säilivusaja pikenedes akud vananevad ja nende sisetakistus aina suureneb. Sisetakistuse varieeruvuse määr on erinevat tüüpi liitiumakudel erinev. Pärast 9–10-kuulist ladustamist on LFP-akude sisetakistuse kasvumäär kõrgem kui NCA- ja NCM-akudel. Sisemise takistuse suurenemise kiirus on seotud säilitusaja, säilitustemperatuuri ja säilitamise SOC-ga

Tsükkel

Olgu see siis ladustamine või jalgrattasõit, temperatuuri mõju aku sisetakistusele on ühtlane. Mida kõrgem on tsükli temperatuur, seda suurem on sisemise takistuse suurenemise kiirus. Erinevate tsükliintervallide mõju akude sisetakistusele on samuti erinev. Akude sisetakistus suureneb kiiresti koos laadimis- ja tühjenemissügavuse suurenemisega ning sisetakistuse suurenemine on otseselt võrdeline laadimis- ja tühjenemissügavuse tugevnemisega. Lisaks laadimis- ja tühjenemissügavuse mõjule tsükli ajal on mõju ka laadimise katkestuspingel: liiga madal või liiga kõrge laadimispinge ülempiir suurendab elektroodi liidese impedantsi ja liiga madal ülemine piirpinge ei suuda hästi passiveerimiskilet moodustada, samas kui liiga kõrge ülemine piirpinge põhjustab elektrolüüdi oksüdeerumist ja lagunemist LiFePO4 elektroodi pinnal, moodustades madala juhtivusega tooteid.

muud

Autode liitiumakud kogevad praktilistes rakendustes paratamatult halbu teeolusid, kuid uuringud on leidnud, et vibratsioonikeskkond ei mõjuta peaaegu üldse liitiumakude sisemist takistust rakendusprotsessi ajal.

Ootus

Sisetakistus on oluline parameeter liitiumioonakude võimsuse mõõtmisel ja nende eluea hindamisel. Mida suurem on sisetakistus, seda halvem on aku kiirus ja seda kiiremini suureneb see ladustamise ja jalgrattaga sõitmise ajal. Sisemine takistus on seotud aku struktuuri, materjali omaduste ja tootmisprotsessiga ning varieerub sõltuvalt keskkonna temperatuuri ja laetuse muutustest. Seetõttu on madala sisetakistusega akude väljatöötamine aku jõudluse parandamise võti ning aku sisetakistuse muutuste valdamine on aku tööea prognoosimisel väga praktilise tähtsusega.