Az akkumulátor öregedésének vizsgálata a differenciálkapacitás-elemzés (DCA) segítségével
Bevezetés
A differenciálkapacitás-elemzés (DCA) egy széles körben alkalmazott módszer az egészségi állapot (SoH) jellemzésére a szekunder akkumulátorokban az aktív anyagfázis-átalakulásoknak megfelelő csúcsok azonosításával. A lítium-ion akkumulátorok degradációja összetett folyamat, amelyet különféle mechanizmusok okoznak.
Az öregedési mechanizmusok három lebomlási módba sorolhatók: vezetőképesség-veszteség, aktív anyag veszteség és lítiumkészlet-veszteség (LLI). Számos tanulmány elemezte a lebomlási módok hatásait differenciál kapacitásanalízissel, arra utalva, hogy ezek alkalmasak a lebomlási mechanizmusok hatásainak azonosítására és számszerűsítésére.
Az irodalomban használt DCA görbék fő bemutatása a dQ / dE vs. E. Ezek a görbék információkat szolgáltatnak a töltési / kisülési folyamat alatti szerkezeti átalakulásokról (1. ábra).
1. ábra: Tipikus dQ / dE és E görbeA DC görbe előnye, hogy az E vs. Q töltési görbe fennsíkjai egyértelműen azonosítható csúcsokként jelenhetnek meg a dQ / dE és E görbében. Ezek a csúcsok az elektród anyag fázisátmeneteihez kapcsolódnak. A kisülés alakja és a töltési görbék információt nyújtanak az elektróda reakció reverzibilitásáról. A dQ / dE differenciálkapacitás és a ciklusszám ábrázolása lehetővé teszi a csúcsok bármely változásának (csúcspotenciálok, magasság, szélesség és terület) megfigyelését egyik ciklusról a másikra, és segíthet a lebomlás észlelésében hosszú tesztciklusok alatt.
A lebomlások elektrolitokat, aktív anyagokat vagy nem aktív anyagokat (áram kollektorokat, kötőanyagokat stb.) érintő mellékreakciókkal társulhatnak. A csúcsok helyzetének és magasságának alakulása különböző lebontási mechanizmusok jelenlétét jelzi (1. táblázat).
Az EC-Lab® két kiegészítő eszközzel van felszerelve a dQ-Q0 / dE kiszámításához.
Az elsőt DCA-nak hívják, és állandó dE mintavétellel számol.
A második, a Differenciálkapacitású Spektroszkópia (DCS), állandó dt mintavétellel képes elvégezni a számítást.
Mindkét folyamat esetében az Advanced Option gomb lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy kiválassza, melyik dE-t kell használni a derivált kiszámításához.
Nézzünk konkrét példát.
Differenciális (növekményes) kapacitáselemzés
https://www.biologic.net/wp-content/uploads/2019/08/dcs-dca_battery-an40.pdf
Az akkumulátor állapotromlása és ennek eredete tanulmányozható az EC-Lab akkumulátor folyamatban® rendelkezésre álló új elemelemző eszközzel: „Inkrementális kapacitáselemzés” (ICA) vagy „Differenciálkapacitás-elemzés” (DCA). Ez az EC-Lab® 10.21 (2012. május) óta elérhető folyamat kiemeli az elektródok fázisátmeneteit a ciklikus töltés/kisütés után. A ciklikus töltés/kisütés általában alacsony sebességgel (azaz C / 24) hajtják végre.
A “differenciálkapacitás” görbét a Q kapacitás és az E feszültség differenciálásával kapjuk meg. Ezt az alábbi egyenlet határozza meg
Ahol Qt, Et egy adott időpontban mért kapacitás és feszültség értékek.
A Qt-1, Et-1 az előző t-1 időpontban mért kapacitás- és feszültségértékek.
KÍSÉRLET LEÍRÁSA
A kereskedelmi forgalomba kerülő 2,5 Ah LiFePO4 akkumulátorokat 3,6 V és 2,0 V közötti állandó C/25-es áramerősség mellett GCPL-technikával, szobahőmérsékleten töltötték/ürítették. A töltési / kisütési folyamatot MPG2 akkumulátor-ciklusos teszter egységen hajtották végre EC-Lab®10.21 szoftverrel vezényelve.
A töltés-kisütés eljárást a következőképpen hajtották végre:
- Az akkumulátor teljes feltöltése (legfeljebb 3,6 V) a kísérlet megkezdése előtt.
- C / 25 sebességgel ürítés 2,0 V érték eléréséig. A potenciált minden dE1-nél rögzítettük, és a dt1 rögzítési idő paramétert letiltottuk (dt1 = 0 beállítása).
- Töltés C / 25 sebességgel, amíg el nem éri a 3,6 V-ot. A potenciált minden dE1-nél rögzítettük, és a dt1 rögzítési idő paramétert letiltottuk (dt1 = 0 beállítása).
EREDMÉNYEK
A 2,5 A.h akkumulátor töltését és kisütését az alábbi 2. ábra szemlélteti.
- ábra: Feszültség és idő a LiFePO4 akkumulátor lemerülésének és töltésének ideje alatt.
A töltési / kisütési adatokat az EC-Lab®10.21 akkumulátorelemzési részében elérhető folyamatadat-eszköz dolgozta fel. A folyamatadatok ablakában a d (Q-Q0) / dE, Q töltés és Q kisütés négyzeteket bejelöltük. A 3. ábra a dQ / dE differenciálkapacitás kiszámításához használt folyamatadatok ablakát mutatja.
A differenciálkapacitás-görbe ábrázolható a feszültség vagy Q töltés vagy más paraméterek függvényében. Az irodalomban használt DC görbék fő bemutatása a dQ / dE vs. E (4a. Ábra) vagy az E vs. dQ / dE (4b. Ábra). Ezeket a görbéket a LiFePO4 töltési / kisülési adatai alapján ábrázoljuk.
A 4b. Ábra görbéje négy fő csúcsot mutat: két csúcsot a kisülés alatt (bal csúcsok) és kettőt a töltés alatt (jobb csúcsok). Minden csúcs a feszültség-töltés görbe lapos fennsíkjának felel meg, amely két fázis együttes létezését jelzi az egyes fennsíkon.
KÖVETKEZTETÉS
Az EC-Lab®-ban nemrégiben bevezetett differenciál (növekményes) kapacitásanalízis (DCA vagy ICA) gyors és hatékony eszközt kínál, amely lehetővé teszi az interkalációs-elektród anyag lebomlásának mechanizmusainak és kinetikájának helyes megértését.
Ez a lebomlás társulhat mellékreakciókkal vagy az elektród anyag belsejében bekövetkező reakciókkal.
A DCA eszköz az E vs. t / E és Q görbék feszültségsíkjait egyértelműen azonosítható csúcsokká alakítja. Ezek a csúcsok, amelyek főleg az elektród anyag fázisátmeneteihez kapcsolódnak, könnyen felhasználhatók az elemzés során.
A DCS módszer példája le van írva itt BioLogic EC-Lab – Application Note #57 (https://www.biologic.net/wp-content/uploads/2019/08/dcs-dca_battery-an57.pdf )
