1 Eksperimen
1.1 Persiapan baterai
Campur elektroda positif DY{0}} litium besi fosfat, zat konduktif Super P, dan pengikat PVDF5130 dengan perbandingan massa 94,0:2.5:3.5, tambahkan pelarut NMP, dan aduk selama 5 jam untuk mendapatkan bubur dengan kandungan padat (60,0 ± 1,5)% dan viskositas 8000mPa · s. Lapisi bubur pada aluminium foil setebal 16 μm dengan kepadatan permukaan (330 ± 3) g/m2. Setelah pemanggangan vakum pada suhu 85 derajat selama 12 jam, roll press elektroda hingga kepadatan padat 2,20g/cm3, dan dapatkan elektroda positif dengan ukuran 124mm × 121mm.
Campurkan grafit negatif, karbon hitam konduktif Super P, dan akrilonitril LA133 dengan perbandingan massa 95,5:1.0:3,5, siapkan bubur menggunakan air deionisasi sebagai pelarut, dan lapisi pada lapisan setebal 8 μm foil tembaga dengan kepadatan permukaan (160 ± 2) g/m2. Keringkan dan gulung tekan seperti elektroda positif untuk mencapai kepadatan padat 1,45 g/cm3, dan dapatkan lembaran elektroda negatif dengan ukuran 130mm × 127mm.
Setelah menumpuk elektroda positif dan negatif, baterai lithium-ion LFP 36130145 cangkang aluminium dengan kapasitas terukur 60Ah disiapkan dengan membungkusnya dengan cangkang aluminium penutup. Setelah dipanggang pada suhu 85 derajat selama 12 jam, elektrolit disuntikkan. Baterai yang disiapkan mengalami transformasi kimia dan pembagian kapasitas. Langkah-langkah pembentukan: Isi daya pada suhu 0.05C selama 80 menit, lalu isi daya pada 0,10C selama 150 menit, dengan tegangan pengisian maksimum 3,65V. Langkah pembagian kapasitas: Biarkan pada suhu 45 derajat selama 12 jam untuk penuaan, kemudian kosongkan pada suhu 0,20C dengan tegangan batas bawah 2,50V.
1.2 Analisis Morfologi dan Struktur
Amati struktur mikro bahan menggunakan mikroskop elektron scanning. Gunakan difraktometer sinar-X untuk menganalisis perubahan struktur bahan.
1.3 Pengujian Kinerja Elektrokimia
Uji EIS baterai menggunakan stasiun kerja elektrokimia. Gunakan penguji baterai presisi tinggi untuk menguji kinerja baterai, dengan kisaran 5V dan 100~50{{10}}A. Metode pengujian kapasitas konvensional: Isi daya dengan arus konstan 1.00C hingga 3,65V, lalu alihkan ke tegangan konstan dan isi daya hingga tercapai 0,05C; Diamkan selama 0,5 jam, keluarkan pada 1,00C hingga 2,50V, diamkan selama 0,5 jam, putar 3 kali.
Metode pengujian siklus baterai: Isi daya dengan arus konstan 1.00C hingga 3,65V, lalu alihkan ke pengisian daya bertegangan konstan hingga batas 0.05C. Buang pada 1.00C, 2.{{10}}C, dan 5.00C masing-masing menjadi 2.50V, ulangi siklusnya, biarkan duduk selama {{30}},5 jam di tengahnya, hingga diputar 1000 kali. Metode pengujian pengosongan baterai berlebih: Laju pengosongan muatan referensi adalah 1.00C untuk pengisian daya dan 1.00C untuk pengosongan, dan tegangan pengosongan berlebih adalah 0-3.65V, 0.20-3.65V, 0.50-3.65V, 0.80-3.65V, dan 1.50-3.65V, masing-masing. Tegangan konvensionalnya adalah 2,50~3,65V. Perlengkapan digunakan untuk menerapkan gaya pra-pengencangan (1400 ± 200) N pada bidang sel baterai; Tidak ada perlengkapan berarti menerapkan gaya pramuat sebesar 0N ke sel baterai.
Metode pengujian umur simpan baterai: ① Isi daya pada suhu konstan 0.50C hingga 3,65V, alihkan ke pengisian daya tegangan konstan ke 0.0batas 5C , diamkan selama 0.5 jam, keluarkan pada 78{{20}}W hingga 2.50V, kapasitas rekam 1; ② Diamkan selama 0,5 jam, isi daya 3,65V pada arus konstan 0,50C, alihkan ke pengisian daya tegangan konstan hingga batas 0,05C, sisihkan selama 0,5 jam, kosongkan ke volume yang ditentukantage (1.50V, 0.80V, 0.50V) pada 780W, sisihkan untuk waktu yang ditentukan, isi daya 3,65V pada arus konstan 0,10C, alihkan ke pengisian tegangan konstan hingga pemutusan 0,05C, sisihkan selama 0,5 jam, dan buang ke 2,50V pada 780W, catat kapasitas pelepasan 2; ③ Ulangi langkah 1, catat kapasitas pelepasan 3, dan ulangi langkah 1 hingga 3. Diantaranya, rasio kapasitas 2 terhadap kapasitas 1 adalah tingkat retensi, dan rasio kapasitas 3 terhadap kapasitas 1 adalah tingkat pemulihan.
2 Hasil dan Pembahasan
2.1 Performa siklus pada perbesaran berbeda
Percobaan dilakukan berdasarkan baterai yang digunakan di pusat data, dan kinerja perputaran laju baterai ditunjukkan pada Gambar 1. Dari gambar tersebut terlihat bahwa dengan laju pengisian yang sama, setelah 2{{3 }}0 siklus pengosongan pada 2.00C dan 5.00C, kapasitas berkurang masing-masing sebesar 14% dan 20%. Dibandingkan dengan siklus pelepasan 1,00C, kapasitas berkurang sebesar 12%, yang masing-masing lebih rendah 2 dan 8 poin persentase. Dari perspektif performa perputaran, baterai memiliki karakteristik perputaran laju yang lama.
2.2 Karakteristik kinerja siklus pelepasan berlebih pada rentang tegangan berbeda
Untuk mempelajari karakteristik pelepasan berlebih dari baterai cangkang aluminium dalam rentang voltase yang berbeda, pengujian siklus berkelanjutan dilakukan pada baterai, dengan variabel berupa rentang voltase dan status baterai selama siklus: dengan atau tanpa perlengkapan. Beri nomor pada baterai secara terpisah, dan lihat Tabel 1 untuk mengetahui perubahan dan kondisi awal baterai. Status pengisian daya (SOC) baterai adalah 30%. Dari tegangan awal, resistansi internal, dan ketebalan 12 kelompok baterai yang tercantum pada Tabel 1 pada SOC 30%, konsistensi baterai percobaan baik.
Lakukan pengujian siklik terus menerus pada baterai, dan kurva atenuasi ditunjukkan pada gambar di bawah. Dapat dilihat bahwa ketika baterai tidak memiliki perlengkapan, kinerja perputaran baterai secara bertahap menurun seiring dengan meningkatnya tingkat pengosongan berlebih. Ketika tegangan pemutusan pengosongan baterai adalah 2,50V, 1,50V, 0.80V, 0,50V, 0,20V, dan 0V, jumlah siklus dan retensi kapasitas baterai adalah 94,07% setelah 1000 siklus, 80,00% setelah 1000 siklus, 74,93% setelah 648 siklus, 67,72% setelah 360 siklus, 63,26% setelah 119 siklus, dan 61,85% setelah 145 siklus.
Ketika tegangan batas bawah berkurang sebesar 1.00V (dari 2.50V menjadi 1.50V), laju atenuasi meningkat sebesar 14% dalam jumlah siklus yang sama; Ketika tegangan batas bawah turun sebesar 1,70V (dari 2,50V ke 0,80V), masa pakai siklus hanya 648 kali; Dan ketika baterai dikosongkan hingga 0V, siklus hidup turun menjadi 145 kali lipat. Penurunan tegangan pelepasan batas bawah mempunyai dampak yang signifikan terhadap siklus hidup baterai. Memperluas rentang tegangan pengisian dan pengosongan baterai dapat meningkatkan kapasitasnya, seperti ketika tegangan berubah dari 2,50~3,65V menjadi 0~3,65V. Kapasitas baterainya bertambah 4Ah.
Bahkan dengan perlengkapan, baterai menunjukkan pola kinerja yang sama seperti tanpa perlengkapan. Semakin rendah tegangan pelepasan baterai, semakin pendek masa pakainya. Pada tegangan pemutus pelepasan 2,50V, 1,50V, 0.80V, 0,50V, 0,20V, dan 0V, jumlah siklus dan tingkat retensi baterai adalah 96,03% setelah 1000 siklus, 86,73% setelah 928 siklus, 84,46% setelah 733 siklus, 81,95% setelah 741 siklus, 61,28% setelah 598 siklus, dan 60,08% setelah 647 siklus.
2.3 Karakteristik kinerja siklus pelepasan berlebih pada gaya pramuat yang berbeda
Semakin dalam tingkat pengosongan baterai yang berlebihan dengan atau tanpa gaya pengencangan awal, semakin buruk masa pakai baterai. Jelajahi lebih lanjut dampak ada atau tidaknya perlengkapan terhadap kinerja baterai. Dengan menganalisis data, bandingkan kinerja siklus baterai dengan dan tanpa perlengkapan dalam kondisi pengoperasian yang sama.
Terlepas dari kisaran tegangan perputaran baterai yang sebenarnya, kinerja perputaran baterai dengan perlengkapan lebih unggul daripada baterai tanpa perlengkapan. Namun, karena batas bawah tegangan pengosongan terus meningkat, dampak perlengkapan terhadap kinerja perputaran baterai secara bertahap menurun. Antara {{0}}~3,65V, masa pakai baterai dengan perlengkapan adalah 647 kali, sedangkan masa pakai baterai tanpa perlengkapan adalah 145 kali, selisihnya 502 kali; Pada 0.20-3.65V, masa pakai baterai dengan perlengkapan adalah 598 kali, sedangkan masa pakai baterai tanpa perlengkapan adalah 119 kali, selisihnya 479 kali; Pada 0.50-3.65V, tingkat retensi kapasitas baterai tanpa perlengkapan adalah 67,72% setelah 360 siklus, sedangkan tingkat retensi kapasitas baterai dengan perlengkapan adalah 90.00%; Pada 0.80-3.65V, tingkat retensi kapasitas baterai tanpa perlengkapan adalah 80.00% setelah 500 siklus, sedangkan tingkat retensi kapasitas baterai dengan perlengkapan adalah 92,00 %; Pada 1.50-3.65V, tingkat retensi kapasitas baterai tanpa perlengkapan adalah 84,55% setelah 928 siklus, sedangkan tingkat retensi kapasitas baterai dengan perlengkapan adalah 860,73%, meningkat sebesar 2,18 poin persentase dalam retensi kapasitas; Pada 2.50-3.65V, tingkat retensi kapasitas baterai tanpa perlengkapan adalah 94,07% setelah 1000 siklus, sedangkan tingkat retensi kapasitas baterai dengan perlengkapan adalah 96,03%.
Ketika batas bawah tegangan pengosongan meningkat, pengaruh perlengkapan terhadap kinerja perputaran baterai secara bertahap melemah, yang diwujudkan sebagai kesenjangan yang menyempit dalam retensi kapasitas antara baterai dengan dan tanpa perlengkapan. Hal ini menunjukkan bahwa efek peningkatan perlengkapan terhadap kinerja perputaran baterai melemah pada rentang tegangan yang lebih tinggi.
Pengujian EIS dilakukan pada baterai (grup A, B, C, F, dll.) dengan dan tanpa perlengkapan pada tahap akhir siklus untuk beberapa skema, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3. Titik awal dari pengujian setengah lingkaran spektrum impedansi adalah impedansi antarmuka Rb antara elektroda dan antarmuka elektrolit; Titik akhir setengah lingkaran adalah impedansi transfer muatan Rct; Garis diagonal melambangkan impedansi akibat difusi Li+ di dalam partikel bahan aktif, yaitu impedansi Warburg (Dw). Dari Rb dan Rct: A-1
Hal ini juga menegaskan bahwa tekanan eksternal dapat mengurangi celah antarmuka elektroda dan meningkatkan area kontak antarmuka. Di bawah tekanan yang lebih rendah, baterai akan dikompresi dan ketebalannya akan berkurang, yang dapat mengurangi resistansi kontak, memperpendek jalur transmisi Li+, dan meminimalkan hilangnya litium aktif; Selain itu, dapat mencegah pelepasan bahan elektroda positif dan negatif yang disebabkan oleh produksi gas selama pelepasan tegangan rendah, mengurangi pemuaian baterai yang tidak dapat diubah, menjaga stabilitas elektroda positif dan negatif, dan meningkatkan kinerja siklus baterai. Semakin rendah tegangan batas bawah pelepasan, semakin dalam ekstraksi litium dari bahan elektroda negatif, dan semakin parah produksi gas baterai. Kehadiran perlengkapan dapat secara efektif menekan hilangnya aktivitas Li+ yang disebabkan oleh produksi gas, sehingga meningkatkan kinerja siklus baterai. Hal ini juga menjelaskan mengapa ketika tegangan pelepasan meningkat secara bertahap, perbedaan jumlah siklus antara baterai dengan dan tanpa perlengkapan menjadi semakin kecil.
Untuk mengamati lebih lanjut perubahan siklus baterai pada tegangan yang berbeda, baterai dibongkar dan diamati perubahan bahan elektroda positif dan negatif.
Dari sudut pandang morfologi, tidak ada perbedaan yang signifikan antara bahan elektroda positif dan negatif setelah siklus pelepasan berlebih. Elektroda negatif tampak sebagai balok, sedangkan elektroda positif tampak sebagai partikel kecil. Ada tidaknya perlengkapan tidak berpengaruh pada morfologi bahan elektroda positif dan negatif. Selama proses pengisian dangkal dan pengosongan dalam secara terus menerus, parameter sel satuan material dapat berubah, terutama untuk bahan elektroda negatif, yang dapat mengakibatkan perubahan jarak antar lapisan.
Analisis XRD dilakukan pada elektroda negatif, dan hasilnya ditunjukkan pada gambar. Dari gambar tersebut terlihat bahwa meskipun baterai didaur ulang pada rentang tegangan yang berbeda, bahan elektroda negatif setelah siklus tetap berupa grafit dan tidak ada zat baru lainnya yang dihasilkan. Dalam rentang tegangan yang sama, puncak karakteristik pelat elektroda negatif (002) dan (100) baterai bebas penjepit bergeser ke arah sudut yang lebih rendah, menunjukkan bahwa parameter kisi grafit meningkat dan jarak antarplanar meningkat.
Artinya, dibandingkan baterai dengan perlengkapan, jarak antar lapisan grafit pada baterai non perlengkapan terus meningkat selama proses pengisian dan pengosongan terus menerus. Perubahan mikroskopis pada bahan ini mengakibatkan penurunan kinerja perputaran yang lebih parah, dan juga menjelaskan mengapa kinerja perputaran baterai dengan perlengkapan secara signifikan lebih baik dibandingkan baterai tanpa perlengkapan dalam rentang voltase yang sama.
2.4 Karakteristik masa pakai kalender berubah setelah baterai habis dayanya
Untuk mengamati lebih lanjut perubahan kapasitas baterai setelah pengosongan berlebih dalam jangka panjang, retensi kapasitas dan pemulihan baterai setelah pengosongan ke tegangan yang ditentukan sebesar 0.50V, 0.80V, 1.50 V, dan 2,50V untuk jangka waktu tertentu dipelajari.
Sekalipun baterai disimpan pada tegangan rendah, tidak akan terjadi penurunan kapasitas, yang tidak berdampak signifikan pada kapasitas dan tidak akan menyebabkan hilangnya kapasitas karena pengosongan yang berlebihan. Dari sudut pandang metodologis, setelah baterai habis, baterai dapat dibiarkan selama jangka waktu tertentu dan diisi ulang dengan arus kecil untuk memulihkan dan mempertahankan kapasitasnya.
3 Kesimpulan
Berdasarkan studi karakteristik baterai litium-ion yang digunakan di pusat data, pengaruh gaya preload yang berbeda terhadap pelepasan berlebih telah dieksplorasi. Hasilnya menunjukkan bahwa:
Dengan menerapkan dua jenis gaya pra-pengencangan pada baterai dengan dan tanpa klem, bersepeda dalam enam rentang tegangan {{0}}~3,65V, 0.20~3,65V , 0,50~3,65V, 0,80~3,65V, 1,50~3,65V, dan kisaran konvensional 2,50~3,65V, terlepas dari apakah ada penjepit, semakin rendah tegangan pemutusan pelepasan baterai, semakin cepat penurunan kapasitasnya. Dalam aplikasi praktis, siklus tegangan rendah jangka panjang harus dihindari sebisa mungkin untuk memperpanjang masa pakai baterai.
Perlengkapan dapat meningkatkan kinerja siklus baterai, namun efeknya melemah seiring dengan meningkatnya tegangan pemutusan pelepasan. Hasil pengujian EIS, XRD dan lainnya menunjukkan bahwa perlengkapan tersebut dapat memastikan stabilitas bahan aktif elektroda positif dan negatif selama siklus, mengurangi celah antarmuka elektroda, meningkatkan area kontak, menurunkan resistansi ohmik, memperpendek jalur transportasi Li+, mengurangi lithium aktif kehilangan, mengurangi perluasan baterai yang tidak dapat diubah, dan meningkatkan kinerja perputaran baterai. Hasil eksperimen memiliki arti penting dalam desain perakitan baterai, dan disarankan agar peneliti selanjutnya mempertimbangkan desain perakitan yang ketat untuk meningkatkan kinerja baterai.
Setelah penyimpanan jangka panjang dalam rentang tegangan pelepasan yang berbeda, kapasitas baterai tidak akan berkurang seiring dengan penurunan tegangan pemutusan pelepasan. Pengisian ulang dalam jumlah kecil saat ini dapat mempertahankan dan memulihkan kapasitas. Hal ini memberikan solusi terhadap masalah berkurangnya kinerja baterai setelah penyimpanan jangka panjang.