בתהליך הייצור של סוללות ליתיום-יון, היווצרות היא הליך קריטי. מאמר זה דן בהשפעה של תנאי היווצרות (למשל, זרם היווצרות, מתח היווצרות, טמפרטורת היווצרות ולחץ חיצוני) על ביצועי הסוללה, כולל התנגדות פנימית, יכולת וחיי מחזור.TOB אנרגיה חדשהמספקמכונת היווצרות סוללהשל מפרטים שונים כדי לענות על צרכי הייצור של מחקר במעבדת הסוללות וקווי ייצור סוללות.
היווצרות מתייחסת לתהליך הטעינה הראשוני לאחר הזרקת אלקטרוליטים ומנוחה, במהלכה נוצרת שכבת האינטרוליטים המוצקה (SEI). וריאציות בפרוטוקולי היווצרות גורמות לשכבות SEI שונות במקצת. המורפולוגיה של שכבת SEI משפיעה ישירות על ביצועי התאים, כמו יכולת קצב, יציבות מתח גבוה ובמיוחד על חיי מחזור.
להלן ניתוח מפורט כיצד תנאי היווצרות משפיעים על ביצועי התאים:
1. זרם היווצרות
מחקרים מראים כי צפיפות זרם נמוכה יותר מקלה על היווצרות שכבת SEI חזקה. תצורת SEI כוללת שני שלבים: גרעין וצמיחה. צפיפות זרם גבוהה מאיצה את הגרעין, מה שמוביל למבנה SEI נקבובי עם הידבקות לקויה למשטח האנודה. לעומת זאת, צפיפות זרם נמוך מאטה גרעין, ומייצרת שכבה SEI צפופה יותר. עם זאת, SEI נקבובי יכול להסתנן טוב יותר לאלקטרוליט, וכתוצאה מכך מוליכות יונית גבוהה יותר בהשוואה ל- SEI שנוצר תחת צפיפות זרם נמוכה.
שיטות טעינה טרום-זרם מסורתיות מסורתיות עוזרות ליצור SEI יציב וצפוף, אך טעינה ממושכת בזרם נמוך מגדילה את עכבות SEI, משפיעות לרעה על יכולת קצב וחיי המחזור. בנוסף, היווצרות זרם נמוך מאריכה את זמן הייצור, ומפחיתה את יעילות הייצור. כדי לטפל בכך, הוצע פרוטוקול היווצרות זרם צעד צעד במהלך השלב הקבוע-זרם (CC). גישה זו מפחיתה את הקיטוב, משפרת את יכולת המטען, מקצרת את זמן היווצרות ומשפרת את היעילות.
איור 1 (א) היווצרות SEI על משטחי גרפיט במהלך היווצרות ו (ב) ההשפעה של צפיפות זרם היווצרות על מבנה SEI.
2. מתח היווצרות
מתחי היווצרות שונים משפיעים באופן משמעותי על תנאי פני האלקטרודה, התנגדות פנימית ועל ביצועי המחזור. לדוגמה, מחקר המשווה בין מתחי ניתוק של 3.5 וולט ו -4.2 וולט מצא כי ניתוק של 4.2 וולט הניב יכולת מטען גבוהה יותר אך ביעילות פריקה מטען נמוכה יותר של 4.1% מאשר 3.5 V. סוללות שנוצרו ב -4.2 וולט הראו התנגדות אלקטרודה גבוהה יותר והשפלת מחזור מהירה יותר.
3. מצב המטען (SOC)
SOC הוא פרמטר קריטי באופטימיזציה של היווצרות. יחד עם מתח מטען/פריקה, רמות SOC שונות במהלך ההזדקנות גורמות דרגות שונות של תגובתיות, שינוי תכונות SEI ובסופו של דבר ביצועי הסוללה. תוצאות הניסוי מצביעות על כך ש- 25% SOC מוביל לעכבה גבוהה יותר ולשמירת קיבולת נמוכה יותר לפני ההזדקנות ואחריה. הפרוטוקול האופטימלי כולל טעינה ל- 100% SOC, תוך פריקה ל- 25% SOC (כלומר, שמירה על 75% SOC), על ידי הזדקנות בטמפרטורת החדר. שיטה זו משיגה את יכולת השחרור הראשונית הגבוהה ביותר ואת שמירת הקיבולת.
4. טמפרטורת היווצרות
עבור סוללות ליתיום-יון פולימריות, היווצרות בטמפרטורה גבוהה מקדמת היווצרות SEI מלאה יותר ומשפרת את רטיבות המפרידה, ומפחיתה את ייצור הגז. עם זאת, היווצרות בטמפרטורה נמוכה מעדיפה הפחתת מלח ליתיום איטית יותר, מה שמאפשר תצהיר SEI מסודר וצפוף, המרחיב את חיי המחזור. בעוד ששכבות SEI בטמפרטורה גבוהה מציגות מוליכות יונית גבוהה יותר, חוסר היציבות שלהן כתוצאה מפירוק מואץ והתערבות משותפת ממס מחמירה את ביצועי המחזור. מרבית היצרנים מאמצים הזדקנות בטמפרטורה גבוהה (30-60 מעלות) לשיפור ביצועי המחזור והאחסון.
5. לחץ חיצוני
ייצור הגז במהלך היווצרות מגדיל את המרחק בין אלקטרודות, מאריך את שבילי הובלת Li-ion והעלאת עכבה, ובכך מפחית את יכולת הקיבול. יישום לחץ בינוני מבטל גז, מבטיח קשר אלקטרודה הדוק, ממזער את העיוות ומשפר את יכולת היווצרות, יכולת קצב וחיי המחזור. ניתוח שלאחר המוות מגלה כי לחץ לא מספיק גורם לציפוי ליתיום על האנודה, ואילו לחץ אופטימלי מונע פגמים כאלה.
תַקצִיר:
תהליך היווצרות ממלא תפקיד מכריע בביצועי סוללת ליתיום-יון. מיטוב זרם היווצרות, מתח, טמפרטורה ולחץ חיצוני הוא קריטי לשיפור תכונות הסוללה. עם זאת, התאמות פרמטרים בודדות מניבות שיפורים מוגבלים. אסטרטגיית אופטימיזציה הוליסטית חיונית כדי למקסם את ביצועי הסוללה.
