Batterie lithium-ion Test de cyclage à basse température et à haut débit

Batterie lithium-ion Test de cyclage à basse température et à haut débit

Avec l'expansion rapide du marché des véhicules électriques, les problèmes liés aux véhicules électriques deviennent de plus en plus importants, et l'un des problèmes les plus graves est le long temps de charge, de sorte que la demande de charge rapide devient de plus en plus urgente. En outre, pour répondre aux besoins de certaines régions froides, la performance des batteries à basse température est également un sujet de préoccupation. Par conséquent, la demande de charge rapide à basse température est en constante augmentation. Cependant, qu'il s'agisse de charge rapide ou de travail à basse température, la capacité de la batterie se dégrade rapidement. Il est donc urgent d'étudier l'impact de la charge rapide à basse température sur la dégradation des batteries afin de résoudre ce problème.

Test

Les conditions d'essai de performance de la batterie sont les suivantes : à -25°C, charger et décharger à une vitesse de 2°C selon le système de charge et de décharge à courant constant et tension constante (CC-CV), enregistrer la capacité réelle tous les 10 cycles, et effectuer un essai caractéristique de puissance d'impulsion mixte (HPPC). Le but de l'essai HPPC est de déterminer la résistance interne de la batterie. Les changements de capacité et de résistance interne de la batterie au cours de longs cycles sont illustrés à la figure 1.

Au début du cycle, la capacité à basse température de la batterie diminue rapidement, mais au cours des cycles suivants, la dégradation de la batterie ralentit dans une certaine mesure. En outre, en mesurant la capacité standard de la batterie à température ambiante, on a constaté que la capacité de la batterie était partiellement restaurée et que le taux de récupération augmentait progressivement avec l'augmentation du nombre de cycles. Il peut atteindre 80-90% après 200 cycles. La résistance interne de la batterie présente une tendance opposée. Au début du cycle, la résistance interne augmente linéairement et rapidement, mais lentement après 200 cycles.

Figure 1 Diagramme de la relation entre la capacité de la batterie et le nombre de cycles.

C_-25 °C : la capacité de décharge réelle mesurée tous les 10 cycles à -25 °C ;

C_23 °C : la capacité standard mesurée au cours du troisième cycle à la température ambiante de 23 °C ;

R_d : Impédance de décharge par impulsion ;

R_C : Impédance de charge par impulsion

La figure 2 montre la proportion de la capacité de décharge à courant constant par rapport à la capacité de décharge totale à basse température (dans le système CC-CV à basse température, le processus de décharge comprend la décharge à courant constant et la décharge à tension constante). On constate que la capacité de décharge à courant constant diminue progressivement et qu'une chute brutale se produit à environ 120 cycles, représentant seulement 15 % de la capacité de décharge totale.

Figure 2 Capacité de décharge CC et son rapport à la capacité de décharge totale du cycle (C_cc : capacité de décharge CC ; rapport C_cc : Proportion de la capacité de décharge CC par rapport à la capacité de décharge totale)

Comme il ressort de ce qui précède, 120 cycles constituent un point critique. C'est pourquoi la batterie a été démontée et analysée après 120 cycles et des cycles longs (250 cycles). Comme le montre la figure 3, les particules de lithium métal blanc argenté couvrent presque toute l'électrode négative, et leur distribution est inégale, avec plus de particules sur les bords, ce qui est lié à la distribution inégale du courant et à la production de chaleur. La figure 4 montre l'image SEM de l'électrode, qui montre qu'à mesure que le nombre de cycles de charge et de décharge augmente, le nombre de dendrites de lithium augmente aussi progressivement, rendant les particules de graphite moins visibles. Cela indique que la précipitation du lithium est la principale raison de la défaillance de la batterie dans des conditions de basse température et de taux élevé. En outre, cela indique également que le lithium se dépose de préférence sur le bord de l'électrode.

Figure 3 L'électrode négative après différents cycles

Figure 4 Images SEM de la surface de l'électrode négative après différents cycles (A, a ; D, d) : 0 tours ; (B, b ; E, e) : 120 tours ; (C, c ; F, f) : 250 tours (A-C) : Bord ; (D-F) : Centre (a - f) : L'image agrandie correspondante de (A - F)

Afin d'étudier le processus d'évolution du dépôt de lithium, le profil de l'électrode négative a été analysé, comme le montre la figure 5. Le dépôt de lithium métal est très irrégulier, et la couche de dépôt sur le bord est significativement plus épaisse. Après 120 cycles, l'épaisseur de la couche de bord est de 15 µm, alors que l'épaisseur de la zone centrale n'est que de 7 µ m. Et à mesure que le nombre de cycles augmente, la couche de lithium métal déposée devient plus épaisse. Une analyse XPS a ensuite été réalisée sur la surface de l'électrode négative.

La présence de carbures n'a pas pu être détectée à la surface de l'électrode, ce qui indique que la surface de graphite a été complètement recouverte par d'autres substances. La grande quantité de composés de lithium détectés étaient des composants SEI produits par la réaction entre le lithium métal et l'électrolyte. Après une attaque profonde de l'électrode négative, la présence de lithium élémentaire a été découverte, ce qui prouve une fois de plus que le lithium métal est l'une des causes de la défaillance des batteries.

Figure 5 Images SEM des sections transversales de l'électrode négative après différents cycles (A-C) Bord ; (D-F) : Centre (a - f) : L'image agrandie correspondante de (A - F)

Conclusion

Ce travail étudie le mécanisme de dégradation de la capacité des batteries lithium-ion dans des conditions de basse température et de taux élevé. Dans ces conditions de fonctionnement, la batterie présente certains phénomènes particuliers, tels qu'une chute brutale de la capacité de décharge à courant constant au cours du cycle moyen, une capacité de charge inférieure à la capacité de décharge, et une récupération de la capacité de la batterie. Les résultats de la recherche révèlent que le dépôt de lithium est la principale cause de ces comportements caractéristiques et du problème de la défaillance de la batterie.

La manifestation spécifique est que le dépôt de lithium augmente la résistance interne de la batterie, ce qui entraîne une diminution de la capacité de décharge de la batterie. Parallèlement, la diminution de la conductivité de l'électrolyte, la réaction de l'électrode et la diffusion des ions en phase solide augmentent encore la résistance interne de la batterie, ce qui entraîne une forte diminution de la capacité de la batterie. Cependant, en raison de la nature active du lithium métal déposé, il peut encore se dissoudre et retourner à l'électrode positive pendant la décharge, ce qui donne une capacité de décharge supérieure à la capacité de charge. En outre, lorsque la température ambiante augmente, il peut encore être incorporé dans l'électrode négative en graphite, ce qui entraîne une récupération de la capacité.