מהו ההשפעה של יחס N/P על סוללת ליתיום פולימר 1s?

1. מהי השפעת יחס N/P על סוללת ליפו 1s

בדרך כלל אנו חושבים שיחס N/P גדול מדי, כלומר שהאלקטרודה השלילית גדולה מדי, יגרום לטעינה ופריקה שטחית של האלקטרודה השלילית של סוללת הליפו 1s, ולטעינה ופריקה עמוקה של האלקטרודה החיובית (ולהפך, כמובן, זו רק אמירה כללית מאוד). האלקטרודה השלילית הטעונה במלואה אינה נוטה להפרשת ליתיום (חומרים מסוימים, כמו פחם רך וקשה, וחומרי LTO לא יפרישו ליתיום), מה שמבטיח בטיחות גבוהה יותר, אך העלייה במצב החמצון של האלקטרודה החיובית בסוללת הליפו 1s מגדילה את הסיכון לבטיחות.

מכיוון שהאפקט הראשון של האלקטרודה השלילית של סוללת הליפו 1s נשאר זהה, יש צורך שיותר חלקים יגיבו. במקביל, בשל השפעת הקינטיקה, הקיבולת לגרם של האלקטרודה החיובית תהיה נמוכה, אך כאשר יחס N/P אינו מספיק עד רמה מסוימת, האלקטרודה החיובית לא תוכל להיות מנוצלת במלואה, מה שישפיע גם על ביצועי הקיבולת לגרם. לסיכום, חשוב מאוד למצוא יחס N/P מתאים.

יחס N/P של סוללת ליפו 1s עם אלקטרודה שלילית מפחם גרפי צריך להיות גדול מ-1.0, בדרך כלל בין 1.04 ל-1.20. זה בעיקר לצורך עיצוב בטיחותי, בעיקר למניעת משקעים של ליתיום באלקטרודה השלילית, ויש לקחת בחשבון את יכולת התהליך, כמו סטיית הציפוי, בעיצוב. עם זאת, כאשר יחס N/P גדול מדי, אובדן הקיבולת הבלתי הפיך של סוללת הליפו 1s יגרום לקיבולת נמוכה של הסוללה, וצפיפות האנרגיה של סוללת הליפו 1s גם תרד.
מאמר זה על דעיכת קיבולת סוללת ליפו כולל הקדמה מפורטת:
הסבר בפירוט את הסיבות לירידת הקיבולת של סוללת ליפו 2s 5600

לאלקטרודה השלילית מטיטן ליתיום, מאמצים עיצוב עודף לאלקטרודה החיובית, וקיבולת סוללת 1s ליפו נקבעת על ידי קיבולת האלקטרודה השלילית מטיטן ליתיום. העיצוב העודף של האלקטרודה החיובית מועיל לשיפור ביצועי הטמפרטורה הגבוהה של סוללת 1s ליפו: הגז בטמפרטורה גבוהה מגיע בעיקר מהאלקטרודה השלילית. כאשר האלקטרודה החיובית מעוצבת בעודף, פוטנציאל האלקטרודה השלילית נמוך יותר, וקשה יותר להיווצר סרט SEI על פני מטיטן הליתיום.

2. השפעת יחס N/P על האלקטרודה החיובית של סוללת 1s ליפו

אם יחס N/P גבוה מדי, מצב החמצון של חומר האלקטרודה החיובית של סוללת 1s ליפו יעלה. בנוסף לבעיות בטיחות, מהם הסכנות החבויות? כאן משמשים רק חומרים טרינריים/גרפיט כדוגמה.
לסוללה עם יחס N/P עודף, יש לבצע ניסוי בתיבת חימום (130°C/150°C) או אחסון בטמפרטורה גבוהה במצב טעינה מלאה, לפרק את הסוללה, ובדרך כלל נמצא שאבקת החיובי של סוללת 1s ליפו מופרדת מהפוליאסטר, והממברנה מצהיבה.
ראשית הגדר שני מושגים:
מושג 1: ראשית, יש להבהיר את המיקומים השונים של חתיכת הקוטב, גם אם התגובה במיקומים השונים של החלקיקים אינה אחידה, מה שכרוך בבעיה של הפרש פוטנציאל בכיוון עובי חתיכת הקוטב.
מושג 2: Ni3+/4+ ו-Co3+/4+ בעלי רצועות אנרגיה חופפות עם O, ו-O ייצא מהרשת בצורת רדיקלים חופשיים, שהם מחמצנים מאוד.

הצהבת הממברנה נגרמת על ידי חמצון, והמנגנון ברור מאוד. דווח בספרות שהוספת תוספים מגן הניתנים לחמצון בקלות כגון PS לאלקטרוליט של סוללת 1s ליפו יכולה להקל על חמצון הממברנה.
דווח בספרות שבחומר MCMB של האלקטרודה השלילית בסוללת 1s ליפו, מכיוון שהפוטנציאל בממשק בין אבקת האלקטרודה השלילית לאספן הזרם הוא השלילי ביותר, ההצטברות של מלח הליתיום מתרחשת תחילה במיקום המגע בין אבקת האלקטרודה השלילית לאספן הזרם, וניתן לראות בבירור את חתך החומר MCMB. הצטברות מלח הליתיום קיימת בממשק המגע בין חומר האנודה לאספן הזרם, אך לא נצפית בחומרים מבוססי גרפיט.

עם זאת, יש מעט מחקרים על סרט SEI של האלקטרודה החיובית בסוללת 1s ליפו. מאחר שמיקום המגע בין אבקת האלקטרודה החיובית לאספן הזרם הוא בפוטנציאל גבוה ויש בו חמצון גבוה, מניחים שתיווצר שכבת משקעי מלחי ליתיום על האלקטרודה החיובית (טמפרטורה גבוהה מזרזת תהליך זה). התגובה מתקדמת, מה שמפריע למגע בין אבקת האלקטרודה החיובית לאספן הזרם של סוללת 1s ליפו, וגורם להפרדה בין אבקת האלקטרודה החיובית לאספן הזרם. לא בוצעו ניסויי אפיון ספציפיים, וזה גם נקודת המחלוקת במאמר זה. ההפרדה של האלקטרודה החיובית של סוללת 1s ליפו מעלה את ההתנגדות הפנימית ומובילה ישירות לכישלון המחזור בתנאי שימוש בטמפרטורה גבוהה.

3. השפעת יחס N/P על האלקטרודה השלילית של סוללת 1s ליפו

הליתיום העודף שמשתחרר יספק מקור ליתיום להצטברות מלחים ליתיום על פני השטח של האלקטרודה השלילית, וההצטברות המתמשכת של מלחים אלו תוביל לכישלון המחזור. לכן, יחס N/P נמוך מדי יגביר סיכון זה.
אבל כאן אנו דנים במה שיכול לקרות בממד אחר, מה קורה אם יחס N/P גבוה מדי?

כאן משתמשים באותה אלקטרודה חיובית של סוללת 1s ליפו, ויחס N/P שונה על ידי התאמת כמות האלקטרודה השלילית. סוללת 1s ליפו נמצאת בסוף הפריקה, המתח של הקטבים החיובי והשלילי עם יחס N/P נמוך הוא נמוך, הקוטב החיובי עמוק, והקוטב השלילי רדוד. סוללת 1s ליפו נמצאת בסוף הטעינה, והמתח של הקטבים החיובי והשלילי עם יחס N/P נמוך גם הוא נמוך, הקוטב השלילי טעון עמוק והקוטב החיובי טעון רדוד.

חובה לקרוא את המאמר הזה על טעינה ופריקה של סוללת ליפו. המאמר מציג בפירוט את עקרון הטעינה והפריקה של סוללת ליפו:
עיקרון הטעינה והפריקה של סוללת ליפו 4s, הקפד לאחסן אותה היטב!
יש לשים לב:
1. עקומת פוטנציאל מייצגת את שני התהליכים של טעינה ופריקה של סוללת 1s ליפו, שניתן לראותה כפוטנציאל של מצב שווי משקל.
2. דעיכת הקיבולת הנגרמת מהאפקט הראשון של האלקטרודה החיובית של סוללת 1s ליפו מתעלמים ממנה כאן. גם לאחר אובדן האפקט הראשון, האלקטרודות השליליות עם יחס N/P שונה מתאימות לאותה עקומת חיובית. מאמינים שאובדן האפקט הראשון של האלקטרודה החיובית של סוללת 1s ליפו נגרם רק בתחילת הטעינה, והיווצרות הסרט הנגרמת על ידי חמצון בסוף הטעינה מתעלמים ממנה כאן. המצב בפועל הוא שרק עם התקדמות המחזור, היווצרות סרט החמצון תשפיע על הקיבולת.

3. יחס האפקט הראשון של האלקטרודה השלילית נחשב כבלתי תלוי ביחס N/P. הוא קבוע. יש הרבה אלקטרודות שליליות, וסוללת הליפו 1s מאבדת הרבה קיבולת דרך האפקט הראשון. השלב שבו מתרחשת התגובה הוא גם בתחילת הטעינה.
4. הפוטנציאלים החיוביים והשליליים חופשיים, והמגבלה היחידה היא מתח התא המלא. המתח של שני התאים המלאים בקצה הפריקה ובקצה הטעינה שווים בהתאמה.
מכיוון שהיחס של האלקטרודה השלילית שמגיבה באפקט הראשון של סוללת הליפו 1s הוא זהה, וכמות האלקטרודות השליליות שונה, עקומת הטעינה-פריקה של האלקטרודה השלילית עם יותר אלקטרודות שליליות ואלקטרודה שלילית עם פחות אלקטרודות שליליות מייצרות הפרש פאזה המתאים לאותה עקומת טעינה-פריקה של האלקטרודה החיובית.

מכיוון שהפוטנציאל של האלקטרודה החיובית יורד בהדרגה עם עליית האינטרקלציה של הליתיום (תהליך הפריקה), בתהליך הסרת ליתיום מהאלקטרודה השלילית/עליית מתח האלקטרודה השלילית בסוללת ליפו 1s, מיקום השימוש בעקומת הפריקה של האלקטרודה החיובית המתאים לסוף עקומת הפריקה של האלקטרודה השלילית עם יותר אלקטרודות שליליות ופחות אלקטרודות שליליות הוא: שונה, המתח החיובי של סוללת הליפו 1s המתאים לסוף הפריקה השלילית עם פחות אלקטרודות שליליות נמוך יותר.

כדי להשיג את אותו מתח סוללה מלא, המתח של האלקטרודה השלילית עם פחות אלקטרודות שליליות עולה פחות, מה שמונע גם את רמת הסרת הליתיום המופרזת מהאלקטרודה השלילית. הסרה מופרזת של ליתיום מהאלקטרודה השלילית תפגע ותחדש את שכבת ה-SEI של סוללת הליפו 1s, מה שיגרום לכישלון במחזור. שיטת ניתוח זו יכולה גם להיות מיושמת בקצה הטעינה, ומסקנה היא שכאשר האלקטרודה החיובית של סוללת הליפו 1s מופרזת, האלקטרודה החיובית נמצאת בטעינה רדודה והאלקטרודה השלילית בטעינה עמוקה.

סיכום

לסוללת ליפו 1s עם יחס N/P קטן, כלומר סוללת ליפו 1s עם עודף של אלקטרודות שליליות, האלקטרודה החיובית יכולה להגיע למצב של טעינה רדודה ופריקה עמוקה במחזור, ומצב האלקטרודה השלילית הוא טעינה עמוקה ופריקה רדודה. ולהפך.
ובכן, לעיל הוא כל התוכן של היום. אני מקווה שדרך מאמר זה, כולם יוכלו להבין את יחס N/P של סוללת ליפו 1s, ואת ההשפעה של יחס N/P של סוללת ליפו על הסוללה. מידע נוסף על סוללות ליפו ניתן לקרוא למטה:
הסבר בפירוט את הסיבות לירידת הקיבולת של סוללת ליפו 2s 5600