In diesem Artikel wird die Überladeleistung einer 40-Ah-Taschenbatterie mit positiver Elektrode NCM111+LMO durch Experimente und Simulationen untersucht.Die Überladeströme betragen 0,33 C, 0,5 C bzw. 1 C.Die Batteriegröße beträgt 240 mm * 150 mm * 14 mm.(berechnet nach der Nennspannung von 3,65 V beträgt seine volumenspezifische Energie etwa 290 Wh/L, was immer noch relativ niedrig ist)
Die Spannungs-, Temperatur- und Innenwiderstandsänderungen während des Überladevorgangs sind in Bild 1 dargestellt. Er lässt sich grob in vier Phasen einteilen:
Die erste Stufe: 1
Die zweite Stufe: 1.2
Die dritte Stufe: 1.4
Die vierte Stufe: SOC > 1,6, der Innendruck der Batterie überschreitet den Grenzwert, das Gehäuse reißt, die Membran schrumpft und verformt sich und die Batterie läuft thermisch außer Kontrolle.Im Inneren der Batterie kommt es zu einem Kurzschluss, es wird schnell eine große Energiemenge freigesetzt und die Temperatur der Batterie steigt stark auf 780 °C an.
Die während des Überladevorgangs erzeugte Wärme umfasst: reversible Entropiewärme, Joulesche Wärme, chemische Reaktionswärme und durch internen Kurzschluss freigesetzte Wärme.Die Wärme der chemischen Reaktion umfasst die Wärme, die durch die Auflösung von Mn, die Reaktion des metallischen Lithiums mit dem Elektrolyten, die Oxidation des Elektrolyten, die Zersetzung des SEI-Films, die Zersetzung der negativen Elektrode und die Zersetzung der positiven Elektrode freigesetzt wird (NCM111 und LMO).Tabelle 1 zeigt die Enthalpieänderung und Aktivierungsenergie jeder Reaktion.(Dieser Artikel ignoriert Nebenreaktionen von Bindemitteln)
Bild 3 ist ein Vergleich der Wärmeentwicklungsrate beim Überladen mit unterschiedlichen Ladeströmen.Aus Bild 3 lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:
1) Mit steigendem Ladestrom verlängert sich die thermische Durchgehzeit.
2) Die Wärmeerzeugung beim Überladen wird dominiert von Joule-Wärme.SOC<1,2, die gesamte Wärmeproduktion entspricht im Wesentlichen der Jouleschen Wärme.
3) In der zweiten Stufe (1
4) SOC > 1,45, die durch die Reaktion von metallischem Lithium und Elektrolyt freigesetzte Wärme übersteigt die Joulesche Wärme.
5) Wenn der SOC > 1,6 ist, beginnt die Zersetzungsreaktion zwischen SEI-Film und negativer Elektrode, die Wärmeerzeugungsrate der Elektrolytoxidationsreaktion steigt stark an und die Gesamtwärmeerzeugungsrate erreicht den Spitzenwert.(Die Beschreibungen in 4 und 5 in der Literatur stimmen etwas nicht mit den Bildern überein, und die Bilder hier haben Vorrang und wurden angepasst.)
6) Während des Überladevorgangs sind die Reaktion des metallischen Lithiums mit dem Elektrolyten und die Oxidation des Elektrolyten die Hauptreaktionen.
Gemäß der obigen Analyse sind das Oxidationspotential des Elektrolyten, die Kapazität der negativen Elektrode und die Temperatur, bei der das thermische Durchgehen einsetzt, die drei Schlüsselparameter für eine Überladung.Bild 4 zeigt den Einfluss von drei Schlüsselparametern auf die Überladeleistung.Es ist ersichtlich, dass die Erhöhung des Oxidationspotentials des Elektrolyten die Überladeleistung der Batterie erheblich verbessern kann, während die Kapazität der negativen Elektrode kaum Einfluss auf die Überladeleistung hat.(Mit anderen Worten: Der Hochspannungselektrolyt trägt dazu bei, die Überladeleistung der Batterie zu verbessern, und eine Erhöhung des N/P-Verhältnisses hat kaum Auswirkungen auf die Überladeleistung der Batterie.)
Verweise
D. Ren et al.Journal of Power Sources 364(2017) 328-340
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 15. Dezember 2022