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Test de température de la batterie au lithium-ion

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Test de température de la batterie au lithium-ion

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Les batteries au lithium, en particulier les batteries lithium-ion, ont été largement utilisées dans divers domaines. Bien que les batteries lithium-ion se soient développées rapidement et qu'elles soient largement utilisées, si des problèmes de sécurité surviennent, les conséquences seront très graves. Les premières batteries au lithium utilisaient du lithium métallique dans l'électrode négative, qui était sujette aux dendrites de lithium et même à la corrosion pendant la charge. Cela réduisait considérablement le temps de cycle et la durée de vie de la batterie et, dans les cas les plus graves, pouvait même entraîner des courts-circuits ou des explosions.

En recherchant en ligne la littérature relative aux brevets sur les batteries au lithium et en analysant les indicateurs techniques pertinents des batteries au lithium d'un point de vue métrologique, les résultats de l'analyse montrent que le volume des applications dans le domaine des batteries au lithium a connu une croissance rapide au cours des dernières années.

Cet article a obtenu les paramètres caractéristiques de base des batteries au lithium-ion grâce à des essais expérimentaux de base, et a établi un modèle électrochimique des batteries au lithium-ion en utilisant le logiciel de simulation numérique Comsol, en vérifiant la précision du modèle. Sur cette base, combinée à certaines équations électrochimiques, les changements de tension des batteries au lithium dans différents environnements ont été analysés par simulation.

L'objectif principal de la recherche et le contenu de cet article est d'analyser l'influence de la température et du rayon des particules de l'électrode négative sur les performances de charge et de décharge des batteries au lithium. En utilisant le logiciel de modélisation Comsol, l'influence de la température et du rayon des particules de l'électrode négative sur les performances de charge et de décharge des batteries au lithium a été étudiée en utilisant la méthode de la variable de contrôle, tout en gardant les autres variables constantes.

1 Principe de fonctionnement des batteries au lithium

Lorsque la batterie est chargée, l'ion lithium est généré sur l'électrode positive et se déplace à travers l'électrolyte jusqu'à l'électrode négative. La structure formée par le carbone dans l'électrode négative présente de nombreux pores, et les ions lithium qui atteignent l'électrode négative sont intégrés dans les micropores de la couche de carbone. La capacité de charge est positivement corrélée au nombre d'ions lithium incorporés.

Lorsque la batterie est déchargée, les ions lithium incorporés dans la couche de carbone de la cathode sortent, pénètrent dans l'électrolyte, traversent le film polymère et s'incorporent finalement dans le matériau actif de l'électrode positive. Enfin, plus la quantité d'ions lithium renvoyés vers l'électrode positive est importante, plus la capacité de décharge est élevée. En fait, le processus de décharge est réalisé par le comportement de désencrage et d'encastrement des ions lithium dans les matériaux actifs bipolaires. La capacité de la batterie est donc généralement appelée "capacité de décharge".

2 L'influence de la température

En raison de l'influence de la température externe sur les caractéristiques de charge et de décharge des batteries au lithium, elle est utilisée comme variable pour observer la tension de décharge de la même batterie à différentes températures afin de déterminer ses performances et de mesurer sa capacité de fonctionnement.Ce modèle a étudié les images de la courbe de la tension de la batterie à 300 K et 500 K.

Pour deux courbes, il a été constaté que la température passait de 300 K à 500 K, et que la tension au point le plus élevé augmentait de près de 0,1 V, tandis que la tension au point le plus bas diminuait de près de 0,1 V. Une observation plus approfondie et une comparaison des courbes ont révélé qu'au cours de la phase de décharge initiale, la tension de la batterie au lithium diminuait rapidement et que la pente de la courbe de tension diminuait ; à la fin de la décharge, la courbe de tension chute brusquement et finit par atteindre la tension de coupure.

L'analyse a révélé que la courbe de tension de la décharge de la batterie subit des changements significatifs à différentes températures. Dans les mêmes conditions, lorsque la température diminue, la tension de décharge initiale diminue et le temps de décharge se raccourcit. Par conséquent, la tension chute brusquement dans la phase initiale de la décharge, puis diminue lentement, et en raison de l'augmentation de la résistance interne, la température interne augmente avec la décharge, ce qui entraîne une augmentation de la conductivité ionique de l'électrolyte.

À la fin de la décharge, la tension chute brusquement parce que la concentration des réactifs négatifs diminue et que la quantité d'ions lithium incorporés dans la structure positive de l'électrode augmente, ce qui entraîne la fin de la réaction. Le taux de diminution de la tension augmente avec la baisse de la température ambiante. Lorsqu'une batterie au lithium est déchargée, les ions lithium sont intégrés dans la cathode.

Plus il y a d'ions lithium, plus il y a de charges libérées, et la tension diminue en conséquence. De même, pendant le processus de charge, plus les ions lithium sont retirés de l'anode, plus la charge est importante, et la tension augmente en conséquence. Toutefois, à mesure que la température continue à baisser et que la viscosité de l'électrolyte continue à augmenter, la migration des ions lithium devient très difficile, ce qui entraîne une diminution progressive de la quantité de migration.

3 Influence de la taille du rayon des particules de l'électrode négative

À une certaine température, les changements de tension de la batterie et de la densité de courant appliquée à la batterie montrent que, sous une température de 300 K, les batteries lithium-ion présentent les caractéristiques suivantes : la pente de la courbe de tension est élevée au cours de la phase de décharge initiale et le changement de pente est lent. Enfin, elle chute jusqu'à la tension de coupure à un rythme fixe, puis change brusquement.

À la fin de la décharge, la pente de la chute de tension augmente d'abord, puis diminue. Au cours du processus de décharge, les ions lithium s'incrustent dans l'électrode négative, libérant davantage de charge et provoquant une baisse de tension. Au contraire, lors de la charge, des ions lithium positifs sont incorporés, ce qui entraîne une augmentation de la charge et donc une augmentation de la tension.

L'analyse des données relatives aux différents rayons des particules de l'électrode négative permet de conclure que plus le rayon des particules de l'électrode négative diminue, lorsque la densité de courant de l'unité de batterie utilisée est identique et proche de zéro, plus le rayon des particules de l'électrode négative est petit, plus la tension de la batterie est faible et plus la tension interne de la batterie est faible. Par conséquent, la durée de vie de la batterie est plus longue que celle des batteries dont les particules d'électrode négative sont plus grandes.

4. Conclusion

En utilisant un logiciel de modélisation approprié, la performance de la charge et de la décharge des batteries lithium-ion peut être étudiée en détail et avec précision, du macro au micro, des expériences aux modèles. Cet article commence par la réaction électrochimique des batteries lithium-ion et tire les conclusions suivantes :

(1) La température peut affecter les substances actives internes et la viscosité de l'électrolyte des batteries lithium-ion, modifiant ainsi l'efficacité de la charge et de la décharge.

(2) La taille du rayon des particules de l'électrode négative affectera le décollement entre les particules et l'électrode négative, ce qui affectera davantage l'efficacité de la conductivité et, en fin de compte, l'efficacité de la charge et de la décharge.