Name: the effect of charging and discharging lithium iron phosphate-graphite cells at different temperatures on degradation
Uploaded: 2018-07-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 41 s
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저자는이 원고를 검토 하는 그들의 탁월한 지원을 위한 마크 Steen와 로이스 브렛을 감사 합니다.

참고:이 작업에는 프로토콜은에 자세히 설명 되어 루이즈 외. 39. 아래는 중요 한 단계에 대 한 요약 설명.
1. 주머니 셀 준비 및 형성
<ol><li>250 m m x 164 m m 인공 흑연 양극 소재, 리튬 철 인산 염 (LFP) 음극 소재로 고 25 µ m 두께 폴 리 프로필 렌 구분으로는 약 4 m m 두께와 치수를 갖는 형식 B5, 파우치 셀 조작.</li>
	<li>사용 하는 전해질의 80 g: 포함 하는 1 %vinylene 탄산 에틸렌 탄산염: diethyl 탄산 (2:3 w/w)에 1m LiPF6 . 참고: 파우치 셀 제조는 다음 단계로 구성 된 반자동 산업 파일럿 라인에서 수행 되었다: 나) 다음 활성 물질을 포함 하는 슬러리 준비: 흑연 양극 및 LFP는 음극에 대 한 바인더, 고 전도성 실험실 규모 믹서, ii에에서 첨가제) 현재 수집가에 슬러리 코팅 (알루미늄 호 일 및 구리 호 일, 음극과 양극 전극에 대 한 각각), iii)는 최적화 된 전극의 측면에서 예를 들면, 용 전극 calendering 밀도, 다공성, 두께, 전자 전도성 및 임피던스, iv 다음) 어셈블리, 전해질 채우기 및 씰링.</li>
	<li>셀의 형성을 실시 합니다. 다음 단계를 사용 하 여 배터리 cycler 소프트웨어와 함께 자전거 프로토콜을 만듭니다.<ol>
<li>배터리 cycler 소프트웨어의 빌드 테스트 기능을 사용 합니다. 새 파일 아이콘을 클릭 ( 보충 파일 1a에 파란색 화살표 참조).</li>
		<li>사이클링 (예를 들어, 나머지 시간과 컷오프 전압)의 매개 변수는 프로토콜 코드의 각 줄 (보충 파일 1b). 2 단계 정 전류-정 전압 (CC-CV) 0.1 C에서 3.6 V, 10 mA 컷오프 현재와는 CC 2.5 V까지 0.1 C에서 방전 될 때까지 충전을 수행 하는 데 필요한 각 단계에 기입 하십시오. 형성 단계 후 충전 (SOC)의 30% 상태에서 배터리 셀을 충전. 저장 버튼을 클릭 하 고 파일 이름을 제공.</li>
		<li>해당 채널 (파란색 화살표 번호 1에 보충 파일 2참조)에서 클릭 하 여 순환 수를 셀을 선택 합니다. 그 채널은 "선택 된" 것으로 "상태" 열에 표시 됩니다. 상단 도구 모음에 있는 실행 단추 (파란색 화살표 2에 보충 파일 2참조)을 클릭 하십시오.</li>
		<li>프로토콜 (파란색 화살표 번호 1에 보충 파일 3참조), 셀 (파란색 화살표 2에 보충 파일 3참조)의 용량 (Ah)을 설정 선택한 챔버 (파란색 화살표 3에 보충 파일 3참조)을 할당 합니다. 유효한 파일 이름을 정의 하 고 시작 버튼을 클릭 합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 셀 전기 테스트 전에 고정 장치
<ol><li>해당 소유자 2 개의 단단한 격판덮개를 이루어져 있는 각 셀을 배치 (너비와 길이 300 m m x 300 m m, 각각, 및 12 m m의 두께) 폴 리 카보 네이트로 만든.</li>
	<li>서 모 커플 표면 온도 변화를 모니터링 하는 홀더 내부에 각 셀의 측면 중 하나의 중심에 놓습니다.</li>
	<li>실험을 통해 환경 온도 제어 하는 온도 챔버 내부 세포와 기구를 배치 합니다. 동일한 온도 챔버에 동일한 프로토콜을 다음과 같은 두 개의 셀을 배치 합니다.</li>
	<li>4-와이어 연결을 통해 셀에 cycler에 연결 합니다.</li>
</ol>3. 전기 자전거
<ol><li>
셀 컨디셔닝
	<ol>
<li>환경 챔버에 25 ° C에서 온도 설정 합니다. 적어도 12 h 열 평형 되도록 허용 합니다.</li>
		<li>3 충전/방전 사이클 배터리 자전거 타는 사람을 사용 하 여 수행 합니다.<ol>
<li>1.3.1 및 1.3.2 단계 배터리 cycler에 대 한 프로토콜을 만듭니다. 이 경우에, CC CV (이력서 단계 0.01 C 또는 1 시간까지), 3.7 V까지 (정격된 용량)에서 0.1 C에서 다음 CC 방전 사용 대 2.7까지 0.1 C에서 30 분 충전에 프로토콜 단계 조정 각 자전거 단계 후 시간을 휴식.</li>
			<li>단계 1.3.3 1.3.4 채널 및 프로토콜 선택에 따라.</li>
			<li>때 두 세포는 동일한 온도 챔버 (동일한 프로토콜을 다음과 같은 두 개의 셀)에 배치 됩니다, 동시에 두 개의 해당 채널을 선택 합니다. 이 두 개의 셀에 대 한 자전거와 챔버 온도 상태 동기화를 보장합니다.</li>
		</ol>
</li>
		<li>참조 사이클 (3.2 단계)를 수행 하 고 그것을 사용 하 여 초기 용량 (Ci) (표 1)을 평가 하기 위한.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
자전거 참조
	<ol>
<li>수행의 일부로 셀 컨디셔닝 (단계 3.1.3) 그리고 정기적으로 순환 참조 (즉, 다음 25 장기 노화 주기를 아래에 보십시오).</li>
		<li>서로 다른 온도에서 수행 하는 테스트 25 ° c, 챔버의 온도 설정 하 고 열 안정화 (< 1 Kh-1)에 대 한 충분 한 시간.</li>
		<li>두 개의 CC 충전/방전 사이클 배터리 자전거 타는 사람을 사용 하 여 수행 합니다.<ol>
<li>1.3.1 단계는 소프트웨어와 함께 배터리 cycler에 대 한 프로토콜을 만듭니다. 그리고 1.3.2입니다. 이 경우에 CC 충전-방전 0.3 C에서 프로토콜 단계 조정 (예를 들어, IEC 62660-1: 2011)13. 각 사이클 단계 후 온도 안정화 (< 1 Kh-1)에 대 한 여분의 시간을 허용 합니다.</li>
			<li>단계 1.3.3 1.3.4 채널 및 프로토콜 선택에 따라.</li>
			<li>때 두 세포는 동일한 온도 챔버 (동일한 프로토콜을 다음과 같은 두 개의 셀)에 배치 됩니다, 동시에 두 개의 해당 채널을 선택 합니다. 이 두 개의 셀에 대 한 자전거와 챔버 온도 상태 동기화를 보장합니다.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>
장기 (에이징)
	<ol>
<li>100 충전/방전 사이클을 수행 합니다. 1.3.1 및 1.3.2 단계는 소프트웨어와 함께 배터리 cycler에 대 한 프로토콜을 만듭니다. 이 경우 1 C 3.7 V까지 (0.1 C 또는 1 시간까지 이력서 단계)와 CC의 방전 전류는 일정 한 온도와 2.7 V 1 C 충전 (Tc) 그리고 방전 (Td)의 CC CV 충전 프로토콜 단계를 조정 합니다.</li>
		<li>단계 1.3.3 1.3.4 채널 및 프로토콜 선택에 따라.</li>
		<li>여러 온도 조합 (10)에서 장기 노화 단계 3.3.1에서에서 100 충전/방전 사이클 수행, 온도 범위-20 ° C에서 30 ° C를 DOE D-최적화36 통해 개발 ( 표 1의 테스트 매트릭스를 참조) (예측의 최소 오류)입니다. 각 충전 또는 Tc 와 Td 는 동일한 (테스트 번호 1과 2, 3 및 4, 9 및 10, 13 및 14, 그리고 19, 20, 표 1) 때 단계를 방전 후 30 분의 테스트 프로토콜에서 나머지 시간을 설정 합니다. 그러나, Tc 와 Td 는 다른 (테스트 번호 11 및 12, 5 및 6, 7 및 8, 15 및 16, 및 17 및 18, 표 1), 설정 온도 1 Kh-1내에서 안정 될 때까지 휴식 시간.</li>
		<li>25 주기 (3.2 단계 참조)의 각 세트 후 참조 사이클을 수행 합니다.</li>
		<li>각 테스트의 재현성을 평가 하기 위해 다른 신선한 셀에 한 번 반복 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
저하 율
	<ol>
<li>사용 하 여 셀 저하 [용량 보존 (CR)] 평가: i) 최신 참조 주기 및 첫 번째 사이클, CRref 참조 (3.2 단계 참조) 및 첫 번째 사이클, CR 비교 ii) 장기 용량 보존 장기 (단계 3.3 참조), 다음 식 (1 및 2): (1)<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57501/57501eq1.jpg"> (2)<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57501/57501eq2.jpg"><ol>
<li>배터리 cycler 클라이언트 소프트웨어를 사용 하 여 자전거 데이터에 액세스할 수 있습니다. 첫째, 시각화 ( 보충 파일 4에 파일)에 대 한 서식 파일을 선택 하 고 3.1.2 또는 3.2.3 단계에서 정의 된 적절 한 파일 이름을 선택 합니다. 참고: 보조 파일 5 주기 수 (보충 파일 5, 상단 그래프)의 기능과 잠재력, 그리고 현재의 변형으로 용량 유지 및 기능으로 온도 사이클링 데이터의 한 예를 보여 줍니다. 시간 (보충 파일 5, 하단 그래프). 방정식 (1)과 (2) 소프트웨어 기능을 사용 하 여 플롯에서 직접 확인할 수 있습니다.</li>
		</ol>
</li>
		<li>저하 속도 맞게 (DR) CRref 와 총을 사용 하 여 충전 Tc 에 따라 박사 는 사이클 (즉, 참조 주기 및 장기 사이클)의 숫자와 이차 용어와 식 (3)에서 다음과 같이 그 온도 사이 상호 작용 Td 온도 방전: (3)<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57501/57501eq3.jpg"> 참고: 매개 변수 Ai와 그들의 통계적 의미는에 의해 결정 최소-사각형 피팅와는 ANOVA σ 가변성으로 측정 불확실성 (잘못) 정규 분포를 따르는 가정. 후자는 적합의 잔류의 배급에서 확인 한다.<ol>
<li>이 위해 소프트웨어를 사용 하 여 '적합된 모델' 기능. Max K 배 RSquare 기능 (파란색 화살표 보충 파일 6에서 제 2) Stepwise 옵션 (파란색 화살표 보충 파일6에서 1)을 선택 합니다 선택한 이동클릭. 이 동등한 훈련 하위 집합에 데이터 집합을 분할 및 피팅 별도로 각 하위 집합에 이루어집니다. Overfitting를 피하기 위해 최고의 전반적인 RSquare 값을 선택 합니다.</li>
			<li>에 게 모델을 클릭 합니다. 보조 파일 7 피팅의 결과 보여줍니다. 그것은 또한 각 매개 변수 (한나)의 중요성 (PValue)을 계산합니다. ' 효과 요약 ' 테이블에서 가장 중요 한 매개 변수를 삭제 합니다. 이 경우에4 (방전 온도의 이차 의존) 보여 줬던 중요로 하지. 따라서, 그것은 추가 분석에서 제거 되었습니다. 보조 파일 8 실제 데이터와 최종 맞는 보여줍니다.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 사후 분석
<ol><li>셀 분해. 공기에서 오염을 방지 하 장갑 상자 (< 5 ppm O2 와 H2O) 안에이 단계를 수행 하십시오. 세라믹가 위를 사용 하 여 파우치 셀을 잘라. 양극과 음극 전극 (5 x 5 mm)의 작은 부분을 잘라내어 스캐닝 전자 현미경 (SEM) 샘플 명세서에 탑재.</li>
	<li>밀폐 용기에 전자 현미경 샘플 홀더를 배치 하 여 오염을 방지 하 고 직접 SEM 시료 챔버, 예를 들어 장갑 가방 불활성 가스로 가득 챔버의 입구에 연결의 사용을 통해 전송.<ol>
<li>공기에 노출을 줄이기 위해 장갑 가방에 불활성 가스의 압력을 유지 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>검사 깊이 사이클링, 전후 전극의 형태를 수행 보조 전자에 대 한 두 개의 검출기를 사용 하 여 sem의 영상:-렌즈 검출기와 표준 2 차 전자 검출기. 사용 전압에 렌즈 검출기와 2 차 전자 검출기 1에 대 한 가속으로 kV 및 15 kV, 각각.</li>
	<li>각 샘플에 대 한 샘플의 표면 대표 SEM 현미경 하 고 표면의 잠재적인 이질성을 식별의 적어도 5 개의 다른 위치를 특징. 각 위치에 대해 다음 배율에서 SEM 이미지를 실행: 1 kX, 3 kX, 5 kX, 10 kX, 20 kX, 50 kX, 75 kX, 100 kX, 150 kX 및 200 kX.</li>
	<li>80 m m2 실리콘 드리프트 검출기 (SDD) 에너지 흩어진 엑스레이 (EDX) 분석기를 사용 하 여 각 전극의 화학 성분 분석.<ol>
<li>15의 가속 전압을 사용 하 여 kV 및 13 mm의 작동 거리 보조 전자 이미지를 사용 하 여 원소 분석을 수행.</li>
		<li>견본 표면에 각 소재 적어도 5 개의 다른 위치에 대 한 선택 하 고 최소 5 점 스펙트럼 생성을 분석.</li>
		<li>반 정량 분석을 수행 하 고 또한 더 나은 어떤 특정 입자 또는 구조 변경 대상 25 kX 2 kX에서 이르기까지 다른 배율 사용 하 여. 결과적으로, 각 샘플에 대 한 최소 원소 구성 조사 25 EDX 스펙트럼을 수집 합니다.</li>
		<li>견본은의 주어진된 위치에 화학 분석을 시작 하기 전에 스펙트럼 교정에 대 한 구리를 사용 합니다. 마지막으로, 평균 값을 EDX 매핑 관련 각 샘플의 다른 위치에서 측정 수집 시간 2 h를 사용 합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

마테오 Destro와 다니엘 라 폰 타나 저자는이 문서에서 사용 되는 배터리 셀을 생성 하는 Lithops S.r.l의 직원이 있습니다. 다른 저자는 공개 없다.

(-20 ° C,-20 ° C)에서 자전거에 대 한 동작 (그림 1을) 수 (i)에 돌렸다 운동 제한 충전 하는 동안 (감소 이온 확산, 전극/전해질41, 인터페이스에서 박탈된 충전 이동 저항은 감소 이온 전도도, 충전 불균형, 등) 및 높은 온도42에서 사이클링 (ii) 리튬 도금 때 낮은 온도에서 충전을 할 때 확산 신속 하 게 수 있습니다. 온도 25 ° C에 다시 때, 이온 확산 증가 하 고 불균형 상태는 평형이 있다. 이 용량 복구 이어질 것 이다. 유사한 행동 문학에서 찾을 수 없습니다. 조사를 받고 세포의 유형에 대 한이 온도 조합 권장 하지 않습니다 빠른 용량 감퇴로 인해 연속 사이클링에 대 한 있지만 일부 부분 복구 능력의 특정 복구 시간 후 실 온에서.
다른 한편으로, 셀 (12 ° C에서 30 ° C) 순환 undesirably (이 의심할 여 지 없이 전체 테스트 시간 연장) 기준 평가를 중단 영향 (그림 1a). 이 샘플에서 자전거의 시작부터 저하 고 < 12 ° c.에 순환 예제와 함께 그들을 비교 하는 때 그들은 더 추가 저하에 감염 될 수 있습니다.
Tc 와 장기 노화 = Td 용량에 보존 하 고 (-5 ° C ~ 30 ° C, 그림 1b의 범위)에 대 한 테스트 온도 사이 두번째 순서 다항식 관계를 가까이 보였다. 오마르 외. 12 (온도 범위에서-18 ° C에서 40 ° c)에서 유사한 행동을 보였다. (-20 ° C,-20 ° C)에 값 하지 찍은 계정에 그것의 행동은 일반적인 경향에서 크게 다른. CRref의 용량 측정, 그것은 약간 저하 (그림 1b) 행 15 ° C에-20 ° C 범위에서 자전거 나타납니다. CR ref 다른 동작 시연 및 CR장기 그들은 다른 온도 다른 C-요금에서 수행 하는 테스트에서 계산으로 설명 될 수 있다. 따라서, 그들은 다른 프로세스에 민감한: 돌이킬 수 없는 노화 (저하의 결과 영원한)12,43 및 가역 노화 [노화의 결과 수 복원 (예를 들어, 나머지 확장 번)]입니다. 그것은 한편으로, CRref 는 돌이킬 수 없는 저하 하 고, 다른 한편으로, 중요 한 간주 될 수 있습니다 CR장기 되돌릴 수와 돌이킬 수 없는 저하에 민감합니다.
장기 테스트 중 방전 프로 파일 유지 비교 (그림 2는); 주요 차이점은 > 3 아 (방전 용량에 한 방울)8. 참조 자전거 (그림 2b), 3 대 지 관찰 될 수 있다 범위에서 음극 (3.43 V에 해당 하는 산화 환 원 쌍 철3 +/Fe2 +)의 전압 차이에 해당 하는 3.15-3.30 V44 그리고 양극45,46의 윤 단계. 사이클링 때 cyclable 리튬, 또는 노화47인 소재 저하의 소비로 인해 용량 값을 낮은 변위가 이다.
주어진된 Tc 에서 사이클링 하는 장기 안정성 높은 낮은 Td에 발견 했다. 이것은 더 높은 온도 높은 저하로 이어질 일반적인 추세와 일치입니다. 이것은 조합 평가 그림 3a - 3 c에 표시의 3 개 쌍에 대 한 관찰 되었다. 따라서, Td 에서 사이클링 = 30 ° C 리드 Td 보다 더 높은 저하 =-5 ° C, Tc 동일 하다. 마찬가지로, Td = 12 ° C는 Td 보다 더 요구 =-10 ° C 때 Tc 같은 (12 ° C).
일부 경우에는 참조에 대 한 저하 추세 발견 장기 사이클링에 대 한 표시는 반대는. 이는 (30 ° c,-5 ° C) 케이스 대 (30 ° C, 30 ° C) 이다 (12 ° c,-10 ° C) 대 (12 ° C, 12 ° C) 사이클링. 장기 노화 되돌릴 수와 돌이킬 수 없는 효과 의해 영향을 하는 반면 참조 주기 평가 돌이킬 수 없는 저하를 표시 합니다. 게다가, 더 높은 저항 방울 (낮은 온도에서 높은) 1 C 자전거 지도. 셀의 동작 (30 ° C,-5 ° C)에서 테스트 하는 경우는 (-5 ° C, 30 ° C)에서 테스트 셀에 비해, 그것은 종결 될 수 있다 두 경우에서는 유사한 저하 [CR장기 약 90% (표 1)]. 그러나, CRref 낮은 저하 (-5 ° C, 30 ° C)에서 보여줍니다. 이러한 조건 (즉, 주어진된 Td), 높은 Tc 그림 4a 와 4b에 의해 같이 더 저하를 의미 합니다. Tc = 30 ° C 더 Tc 에 비해 셀 저하 사이클링 =-5 ° C (때 Td 는 동일). 이것은 이전에 논의 다른 자전거 조건에 대 한 데이터의 해석과 일치입니다.
요약으로 그것은 종결 될 수 있다 그 (-5 ° C에서-5 ° C), 자전거 (0 ° C,-20 ° C), (5 ° C, 5 ° C), (12 ° C,-10 ° C) 및 (15 ° C,-20 ° C) 100 사이클 저하 없이 거의 이끌어 냈다. Td 에서 샘플 테스트를 입증 하는-20 ° C = 안정 (+ 25 ° C, 그림 4c에 용량에 복구), 만드는 이러한 샘플 하위 룸 온도 응용에 적합. Tc를 증가 하는 경우이 용량 복구 덜 인상적입니다. 샘플의이 세트에 의해 표시 된 동작 낮은 온도 (운동 구성 요소)에서 가역 저하의 큰 구성 요소 임을 나타냅니다.
(흑연) 양극 소재의 표면의 초기 상태는 일반적으로 부드러운 (그림 6a 및 6 d). 사이클링, 후 표면 roughens, 또한 다른 사람에 의해 관찰,48. 형태학에 있는 변화는 부 딪 친된 영역 (그림6b 6e) 전극 (그림 6 c 와 6 층)의 중앙 부분에 비해에서 더 분명 하다. 배율을 증가 반구형 입자 (그림 6e) 부 딪 친된 영역에 표시 됩니다. 이러한 구조는 35에 175의 평균 직경 nm와 또한 관찰 되었습니다 다른 사람에 의해49,,5051. 이 연구에서 그들은 세분화 된 금속 Li 입자49,50 세 레이어50성장 하는 도금에 할당 되었습니다. 이 platting에 대 한 가능한 설명에 할당할 수 있습니다: (i) 어느 정도 에누리 Lu 그 외 여러분 에 의해 설명 된 대로의 49 (10 %overlithiation) 또는 (ii) 전극으로 바흐 외에 의해 연구에 휘도가 압축 52.
보조 전자 현미경 묘사 밝은 입자 순환된 양극 (그림 6i)에서 배포. 이러한 입자 파문이 영역 (보충 데이터, 그림S1)에 덜 되 고 범프 영역 (그림 6 h)에 표시 되지 않습니다. EDX 조사 금속 Cu로이 입자를 확인 (참조 그림 6나 그림 S2보충 데이터 삽입). 잘라내기 (현재 수집기) 녹이 고 전극에 침전 가능 하다 (예를 들어, 현재 수집기 부식 전해질과 양극 잠재적인 너무 긍정적인 vs. Li/Li+때 반응성으로 인해 발생 합니다) 28. 부 딪 친된 영역에서 배경 신호 위에 농도 갖는 Cu의 흔적 또한 되었습니다 abserved. 그것은 수 있는 그 무엇 인가 이유로, 그 영역에 조건 찬성 하지 않는 Cu의 강 수는 추측 될. 마지막으로, 철의 자취는 또한 측정 되었다. 이 철의 해산에 음극 소재 (LiFePO4)에서 표시 될 수 있습니다 다른 사람에 의해 식별 되는48,,5354. LiPF6 전해질 (HF 추적)55를 신선한 재료 (보충 자료, 그림 S3)에 비해 아무 변경 했다 순환된 음극의 평가 기반으로 합니다. 또한 실험 이러한 음극 재료 더 성격을 나타내기 위하여 진행 되 고 있습니다.
표 1 에서 저하 속도 (DRs) 계산 CRref 에서 그려진 대 다음 최소 스퀘어 방법 (2D)으로 장착 되는 온도 (충전 및 방전), 테스트 했다. 그림 7 생성, 어디 점들은 측정된 DRs표면 피팅을 표시 됩니다. Dataset는 피팅에 대 한 학습 및 확인 데이터 집합으로 분할 되었다. 다항 함수 선택된 (최고의 R2) 했다. 낮은 DRs 와 빨간 나타내는 조건 및 파란색 높은 DRs와 조건을 나타냅니다. 결과 모델 식은 다음과 같습니다.
(4)<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57501/57501eq4.jpg"><img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57501/57501eq5.jpg">
ANOVA, 다항식 계수의 통계적 의미 확인 박사 Tc 와 2 차 방정식 관계와 Td와 선형 관계를 리드.
적합 한 응용 프로그램을 선택 해야 하는 경우 도움이 될 수 있는 다른 관찰: 언제 Tc 15 ° C, 박사 주위 이다 아닙니다 종속의 Td; Tc < 15 ° C, 높은 저하 높은 Td;에서 발생 하는 경우 최저 박사 에 해당 하는 경우 Tc > 15 ° C, 낮은 저하 높은 Td; 에서 (Tc -7 ° C, Td 를 = =-20 ° C); 에 해당 하는 최고의 박사 (Tc = 30 ° C, Td =-20 ° C) 또는 (Tc -20 ° C, Td 를 = = 30 ° C).
이 작품에서 제시 하는 결과 보다 현실적인 시나리오를 대표 하기 위하여 미래 표준 및 규정의 디자인에 대 한 관련성의 있을 수 있습니다. 추가 실험 다른 화학 물질을 사용 하 여 응용 프로그램에 따라 최적 동작 범위를 찾기 위해 이러한 결론의 타당성을 확인 필요 합니다. 추가 작업 일정 노화의 효과 평가 합니다.

내구성 리튬-이온 배터리 (LIB)1,2,3 연구, 안전 동작, 성능 및 비용을 무시 하지의 중추적인 주제 중 하나가 있다. 상대적으로 긴 일생은 필요한4,5,6 다른 응용 프로그램 (예를 들어, 소비자에 대 한 몇 년에 비해 배터리 저하 특히 전자-모바일 응용 프로그램에 대 한 도전 이다 전자)입니다. 라이브러리 (예를 들어, 용량 및 저항)의 초기 성능 전기로 인해 시간이 지남에 따라 악화 및 노화를 일정. 많은 요인 (예, 전극 재료, 환경 조건, 전류 부하 및 컷오프 전압) 저하에 결정적 일 수 있다. 문학 전극 활성 재료와 전극-전해질 측 반응7의 저하에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나로 온도 식별 합니다. 다른 온도1,,89,,1011, 에서 배터리 내구성 다루는 문학 간행물의 방대한에도 불구 하 고 12를 이러한 연구는 단지 특정 셀, 방법, 및 사용 되는 설정을 나타냅니다. 따라서, 다른 셀에 추정 사소한, 다른 연구 매우 어려운 사이 양적 비교를 만드는지 않습니다.
그것은 다른 충전 및 방전에 자전거 수는 배터리의 저하 동작에 어떤 영향 때문에 많은 저하를 일으키는 프로세스의 온도 의존 예상 될 수 있다. 또한, 응용 프로그램의 수에 다른 충전 및 방전 온도 대표 더 설득력 있는 시나리오 [예, 전자-자전거 (실내) 온도 제어 환경에서 충전 및 e-자전거 순환의 배터리 (즉 , 방전) 다양 한 온도 (야외); 계절과 매일 온도 동요는 경험 많은 응용 프로그램에서]. 그러나, 노화 테스트 결과 일반적으로 문학에서 출판 연구는 충전 및 방전 단계에 대 한 동일한 온도. 또한, 관련 표준13,14,15,,1617 및 테스트 메서드 설명서18,19,20 같은 온도 사용 합니다. 우리는 충전 및 방전에 대 한 (예를 들어, 45 ° C, 65 ° C) 온도21 자전거의 문학 한 예에 발견. 이 작품의 저자 용량 방전, 고체 전해질 인터페이스 (SEI) 레이어 성장과 리튬 도금21에 기인 했다의 더 높은 온도에서 높은 페이드를 설명 합니다. 현실적인 시나리오의 조건 대표 아래 배터리 저하의 평가 바람직합니다. 미래의 표준 및 규정의 테스트에이 작품에서 제시 하는 결과 대 한 혜택을 받을 수 및 다른 온도22방전.
일반적으로 높은 테스트 온도 저하1,,1112, SEI11,,2324의 성장을 강화가 속하고 SEI 변화를 촉진 11,23. 다른 한편으로, 있을 법 하지 않은 과제에 결과 낮은 온도 사이클링: 도금 및 모 수석 성장 촉진 (느린 리튬-이온 확산)25,26,,2728. 리튬 금속은 전해질 감소 내구성에 선도와 추가 및 감소 된 반응 수 안전도28,29.
왕 외. 8 는 페이드 용량에 따라 충전 처리량 (15 ° C와 60 ° C 사이 온도) 힘 법률 관계를 출판. 다른 저자는 용량10,30,31,32,,3334페이드인과 관계 하는 시간의 제곱근을 설명 했습니다. 이 활성 리튬 소비 세30,31 의 성장에 돌이킬 수 없는 용량 손실을 나타내는 되어있다. 용량 저하 또한 시간33,,3435와 선형 저하의 공유를 할 수 있습니다. 마지막으로, 다양 한 온도에서 용량에 페이드의 일부 시뮬레이션 실험 결과 확인 했다 고 데이터 저하 및 온도8,10의 지 수 종속성을 보여주었다.
이 일의 다른 온도 효과 리튬 철 인산 염 (LFP)의 저하 동작에 방전 / 흑연 셀 하위 주위 온도 위한 설명. 가능 온도 조합 수 실험 (DOE) 메서드36;의 디자인을 사용 하 여 최소화 했다 일반적으로 산업 최적화 프로세스에 사용 되는 접근. 이 방법은 또한 Forman 외 에 의해 적용 되었다 최소 예측 오류 (D-최적)을 제공 하는 배터리 저하 연구 37 . 또는, Muenzel 외. 38 오마르 외 에서 데이터를 재사용 다중 요소 라이프 예측 모델 개발 12. 데이터 장착 했다 고 저하 매트릭스를 얻어.
현재 작업에서 얻은 데이터는 비 선형 최소 평방 피팅 (다항식)의 온도 방전 사이의 1 차 상호 작용을 포함 하 여 장착 했다. 분산 분석 (ANOVA) 계수 다항식의 정도 평가 하는 데 사용 되었습니다. 방법의 충전 및 방전 및 그들의 가능한 상호 작용의 영향을 이해 하 데 도움이 됩니다. 이 정보는 미래 맞춤의 설립 목적 및 현실적인 프로토콜 표준에 대 한 지원 관련 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>artificial graphite&amp;nbsp;</td><td>IMERYS</td><td></td><td>D50 about 6&amp;nbsp;&amp;micro;m. Catalog number cannot be disclosed for propietary reasons</td></tr><tr><td>lithium iron phosphate</td><td>BASF</td><td></td><td>D50 about 11&amp;nbsp;&amp;micro;m. Catalog number cannot be disclosed for propietary reasons</td></tr><tr><td>Cu foil&amp;nbsp; &amp;nbsp;</td><td>Schlenk</td><td></td><td>16&amp;nbsp;&amp;micro;m thickness. Catalog number cannot be disclosed for propietary reasons&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Al foil</td><td>Showa Denko</td><td></td><td>20&amp;nbsp;&amp;micro;m thickness. Catalog number cannot be disclosed for propietary reasons&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>separator&amp;nbsp;</td><td>Celgard</td><td></td><td>separator. Catalog number cannot be disclosed for propietary reasons</td></tr><tr><td>Maccor cycler</td><td>Maccor</td><td>Maccor Series 4000&amp;nbsp;</td><td>Battery cycler</td></tr><tr><td>BIA chamber</td><td>BIA</td><td>BIA MTH 4.46&amp;nbsp;</td><td>environmental temperature chambers</td></tr><tr><td>SEM</td><td>Carl Zeiss, Germany</td><td>ZEISS SUPRA 50</td><td>Scanning Electron Microscope</td></tr><tr><td>EDAX</td><td>Oxford Instruments, UK</td><td>&amp;nbsp;Oxford X-MaxN 80&amp;nbsp;</td><td>Energy Dispersive X-ray spectrometer</td></tr><tr><td>SDD</td><td>Oxford Instruments, UK</td><td>AZtec software</td><td>Drift detector&amp;nbsp;</td></tr></tbody></table>

the effect of charging and discharging lithium iron phosphate-graphite cells at different temperatures on degradation

충전 및 방전 리튬 철 인산 염-흑연 세포 그들의 저하에 다른 온도에서 효과 체계적으로 평가 합니다. 셀의 저하 10 충전 및 방전-20 ° C에서 30 ° c. 까지의 온도 순열을 사용 하 여 평가 노화, 및 그들의 연결에 충전 및 방전 온도 효과의 분석 수 있습니다. 총 100 충전/방전 사이클의 실행 되었다. 모든 25 주기 참조 주기는 되돌릴 수와 돌이킬 수 없는 용량 저하를 평가 하기 위해 수행 되었다. 다중 요소 분산 분석 사용 되었다, 그리고 실험 결과 보여주는 장착 했다: i) 이차 관계 저하의 속도 충전, 방전, 온도와 ii)는 선형 관계의 온도 및 iii) 온도 방전의 상관관계 + 30 ° C에서 충전 및 방전-5 ° C에서 온도 조합 저하의 최고 속도를 지도 했다 발견 했다. 다른 한편으로, 훨씬 더 낮은 저하 주도 사이클링 온도 범위-20 ° C에서 15 ° c (온도 충전 및 방전의 다양 한 조합). 또한 때의 온도 15 ° C, 방전의 온도 저하 속도 nondependent는 발견 했다.

6 아의 정격 용량의 파우치 셀 (2.50 3.70 V 사이의 작동 전압 범위)이이 연구를 위해 사용 되었습니다. 그들의 전기 화학 특성 분석에서 얻은 결과 3 개의 섹션으로 분할 된다: i) 같은 충전 및 방전 온도 (단계 1.1), ii) 다른 출력 온도 (와 같은 충전 온도)에서 사이클링 사이클링 (단계 1.2) 및 iii) 다른 충전 온도 (와 같은 방전 온도) 순환 (1.3 단계).
용량 보존 대 총 주기 수 때 Tc = Td 에 그림 1에표시 됩니다. 간격에 해당 하는 참조 사이클 테스트 (4 주기)에 대 한 모든 25 주기 후 관찰할 수 있습니다. 그래프에 따라 추가적인 관측은 Tc 에서 매우 드문 행동 조건 테스트-20 ° C에서 Td 를 =. 후 각의 25 주기, 용량과 참조 동안 회복의 급격 한 붕괴는 사이클링 (25 ° c 다). 그래프에 표시 된 다른 온도 조합에 대 한 용량에서 감퇴가 관찰 됩니다. 이것은 가장 (30 ° C, 30 ° C)에 대 한 발음 조합. 마찬가지로, 자전거에 영향을 미치는 장기 테스트의 저하 추세를 참조 합니다. CR 드랍 스 0.5-1.0% 후 참조 사이클 테스트 > 12 ° C 이며 때 자전거 < 12 ° C. 이다 소폭 증가
전반적으로는 CR장기 셀의 시작 성능에 비해 손상을 덜 더에서 순서 (중복 테스트에 대 한 평균 값)을 따른다: 86% (30 ° C, 30 ° C), 90% (-20 ° C,-20 ° C), (12 ° C, 12 ° C) 96%, 97% (5 ° C, 5 ° C) 100% (-5 ° C,-5 ° C). 참조 사이클 테스트 하는 것으로 간주, 저하 순서를 따른다: 86% (30 ° C, 30 ° C), 94-95% (5 ° C, 5 ° C), (12 ° C, 12 ° C), (-5 ° c,-5 ° C), 96.5% (-20 ° C,-20 ° C) (표 1).
그림 1 b 표시 용량 보존 (%) 측면에서 노화 대 온도 Tc 는 샘플 평가 때 모든 자전거의 Td를 =. 두 참조 자전거와 장기 노화 표시 되 고 방정식 (3)에 따라 2도 다항식 방정식에 장착. 에 해당 하는 결과 CR장기 (-20 ° C,-20 ° C)에 대 한 명확 하 게 동향을 따르지 않는 관찰된 독특한 행동으로 인해 피팅에서 삭제 되었다.
그림 2 표시 방전 프로 파일 장기 사이클 동안 합니다. 낮은 C 레이트 [0.3 C (순환 참조) 1 C (장기 사이클)에 비해] 더 높은 온도 [25 ° C (순환 참조)-5 ° C (장기 사이클)에 비해], 방전 곡선에 나타나는 추가 특성 (그림 2b ), 3.15-3.30 V에 이르기까지 3 대 지와 함께. 자전거 발전, 낮은 용량 및 고원 잠재력의 전압에 작은 수정 고원의 이동이입니다.
그림 3 셀 번호 17 및 18 19 20, 자전거와 함께 용량 진화를 보여줍니다 어디 Tc = 30 ° C와 Td =-5 ° C 그리고 30 ° C, 각각. 중복 검사에 대 한 데이터는 반복성을 증명 하기 위해 의도 함께 제공 됩니다. 중복에 대 한 유사한 행동 관찰 되었다, 따라서 다음에, 하나의 테스트 결과 표시 됩니다, 고 CR 값이 평균 값을 참조. 사이클링은 장기 두 온도 조합 (30 ° C에서 30 ° C) 더 높은 저하에 대 한 줄이기 위해 셀의 용량 비교 (30 ° C-5 ° C), 90% (표 1)에 비해 86%. 반대 추세 비교는 참조 사이클 [셀 제 19와 20 (30 ° C, 86% 및 셀 번호 17에 30 ° C)와 82%, 표 1에서 18 (30 ° C,-5 ° C)] 발견 된다. 자전거의 끝에, 일부 혹 셀 번호 17 및 18에 출연. 셀 번호 17에서에서 수집 된 샘플의 사후 평가 그 범프의 성격을 이해 하기 위해 실시 됐다. 결과 표시 하 고 결과에서 설명 됩니다. 요동 시간의 과정을 통해 개발 하 고 또한 다양 한 온도 조합 (여기에 표시 되지)에서 테스트 하는 여러 다른 셀에 표시 했다 주목 해야 합니다.
그림 3 b 표시 셀 3 및 5 호에 해당 하는 결과 같은 Tc =-5 ° C, 그리고 다른 Td =-5 ° C 그리고 30 ° C, 각각. 100 사이클, 용량 보존 후 (100%와 91%, 각각) (-5 ° C-5 ° C)에서 높은 보다 (-5 ° c, 30 ° C). 동일한 Tc 와 Td 를 다른 사용 하는 경우 수행 하는 테스트는 그림 3c [셀 11 호 (12 ° C,-10 ° C) 및 (12 ° C, 12 ° C) No. 13]에 표시 됩니다. 100 사이클 후 용량 보존 첫 번째 셀에 대 한 거의 저하와 두 번째에 대 한 96%를 보여줍니다.
동일한 Td (30 ° C) 및 다른 Tc (-5 ° C 그리고 30 ° C)를 사용 하는 경우 용량 그림 4는 (No. 5와 No. 19 셀)에 표시 하는 동작을 보여 줍니다. 100 사이클 후 보존 용량에는 동일한 온도 (약 86%)에서 순환 하는 셀의 경우 보다 다른 온도 (약 91%)에서 순환 하는 셀에 대 한 높은 (표 1)입니다.
Td 에서 장기 평가-5 ° C와 Tc 를 = = 30 ° C와-5 ° C, 각각 (제 3 호 및 제 17 셀) 그림 4b에 표시 됩니다. 에는 동일한 Td, Tc = 30 ° C는 Tc 보다 더 손상 =-5 ° C, 앞서 언급 했 듯이. 용량 100 사이클 후에 보존 100% (-5 ° C-5 ° C)에서 자전거와 자전거 (30 ° C에서-5 ° C)에 대 한 90% 이다 (표 1).
마지막으로, 성능 때 Td = 그림 4c 에 표시 되는-20 ° C (1, 7, 및 tc 15 셀 =-20 ° C, 0 ° C, 그리고 15 ° C, 각각). (-20 ° C,-20 ° C)에서 사이클링 때 데이터 이전 설명 했다. 오히려 비슷한 결과이 그림에서 더 낮은 정도에 발생합니다. 이 효과 또한 되었습니다40다른 사람에 의해 감지. 용량 범위에서 보존은 상대적으로 90-102% CR장기 및 ∼96% CRref기준.
셀 번호 17의 시각적인 검사 (Tc = 30 ° C, Td =-5 ° C) 상당히 큰 범프 부품 ( 그림 5a와 5b흰색 화살표) 보였다. 또한, 아래쪽 주머니와 흑연 전극의 파문이 구조의 영역 (빨간색 동그라미, 그림 5a 와 5b) 관찰 되었다. 이 셀 CRref (표 1)을 기준으로 용량 저하와 최저 보존의 가장 높은 비율을 제시.
양극과 음극 전극에서 샘플 3 별도 영역;에서 수확 했다 범프 파문이을 중앙 지역 (아니 보이는 결점으로 후자). (대형) 후 신선한 세포 열리고 비교 조사도 했다.
그림 6 에 수확된 양극 재료의 SEM 이미지. 그림에서 다른 형태학 상 특성은 구별이 분명 하다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57501/57501fig1.jpg"> 그림 1 . 용량 보존. (한)이이 창에 표시 용량 보존 후 동시 100 주기 충전 및 방전 온도. (b)이이 패널 표시 용량 보존 (장기 노화 및 참조 사이클링) 대 온도. 테스트 셀: No. 1 (-20 ° C,-20 ° C), 제 3 호 (-5 ° C,-5 ° C), 9 (5 ° C, 5 ° C), (12 ° C, 12 ° C), 제 13 그리고 19 (30 ° C, 30 ° C). 이 그림에서 루이즈 외 수정 되었습니다. 39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57501/57501fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57501/57501fig2.jpg"> 그림 2. 방전 셀에 대 한 프로 파일: 17 (30 ° C,-5 ° C). (한)이이 패널이 보여줍니다 (C-의 속도 1 C)-5 ° C의 온도와 장기 사이클링. (b)이이 패널 (C-의 속도 0.3 C)와 25 ° C의 온도 사이클링 하는 참조를 보여 줍니다. 이 그림에서 루이즈 외 수정 되었습니다. 39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57501/57501fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57501/57501fig3.jpg"> 그림 3. 같은 셀에 대 한 용량 보존 Tc 그리고 다른 Td. 이러한 패널 표시 용량 보존 효과 셀 (a) 제 17 및 18 (30 ° C,-5 ° C) 및 19 및 20 (30 ° C, 30 ° C), (b) 제 3의 다양 한 방전 온도 (-5 ° C,-5 ° C) 및 5 (-5 ° C, 30 ° C) (c) 11 호 (12 ° C,-10 ° C) 및 (12 ° C, 12 ° C) 13. 이 그림에서 루이즈 외 수정 되었습니다. 39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57501/57501fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57501/57501fig4.jpg"> 그림 4. 다른 셀에 대 한 용량 보존 Tc 그리고 동일 Td . 이러한 패널 표시 용량 보존 효과 셀 (한) 5의 다양 한 충전 온도 (-5 ° C, 30 ° C) 및 19 (30 ° C, 30 ° C), (b) 3 (-5 ° C,-5 ° C) 및 17 (30 ° C,-5 ° C), 및 (c) 제 1 호 (-20 ° C -20 ° C), 제 7 호 (0 ° C,-20 ° C), 그리고 제 15 (15 ° C,-20 ° C). 이 그림에서 루이즈 외 수정 되었습니다. 39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57501/57501fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57501/57501fig5.jpg"> 그림 5. 셀 번호 17에 대 한 사후 평가. 이러한 패널 표시 (a) 파우치 셀 100 주기와 (b)는 양극 전극 후 오프닝/수확 후. 흰색 화살표 표시 충돌 테스트와 빨간색 동그라미 리플 영역을 나타냅니다. 두 기능 모두 전기 테스트 하는 동안 생성 되었습니다. 파우치 셀의 외부 크기는 250 x 164 mm입니다. 이 그림에서 루이즈 외 수정 되었습니다. 39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57501/57501fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57501/57501fig6.jpg"> 그림 6. SEM 이미지. 이러한 패널 SEM는 신선한 양극 (셀 17) 범프 영역 (b)와 (c) 중앙 지역, 및 (d) (e) 밤에 수확된 양극 (셀 17) 영역과 (f (a) 낮은 높은 배율에서 이미지 표시 ) 중앙 영역. 다음 패널 보조 전자 SEM (g)에 대 한 신선한 이미지를 표시 하 고에서 수확된 양극에 대 한 셀 (h) 범프 영역 및 (나) 중앙 영역에 번호 17 (삽입: EDX와 매핑을 나타냅니다 풍부한 Cu 나노 입자). 이 그림에서 루이즈 외 수정 되었습니다. 39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57501/57501fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57501/57501fig7.jpg"> 그림 7 . 표면 장착 [식 (4)]와 참조 사이클에서 충전/방전 온도 공간에서 저하 (점)의 실험적으로 계산 된 속도 (R2 = 0.92). n = 사이클 수. 레드 저하의 낮은 비율을 나타내고 저하의 블루. 이 그림에서 루이즈 외 수정 되었습니다. 39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57501/57501fig7large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<table fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>셀 테스트 없음</td>
			<td>Tc  C</td>
			<td>Td  C</td>
			<td>Δ T  C</td>
			<td>C1 /Ah</td>
			<td>CR장기 (%)</td>
			<td>C나 /Ah</td>
			<td>R@1000Hz/ 옴</td>
			<td>CRref (%)</td>
			<td>박사 (아 n-1) / 아</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>-20</td>
			<td>-20</td>
			<td>0</td>
			<td>3.00</td>
			<td>89.86</td>
			<td>5.60</td>
			<td>0.90</td>
			<td>96.45</td>
			<td>-0.00208</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>-20</td>
			<td>-20</td>
			<td>0</td>
			<td>3.00</td>
			<td>90.21</td>
			<td>5.61</td>
			<td>0.93</td>
			<td>96.46</td>
			<td>-0.00208</td>
		</tr>
<tr>
<td>3</td>
			<td>-5</td>
			<td>-5</td>
			<td>0</td>
			<td>4.52</td>
			<td>98.10</td>
			<td>5.62</td>
			<td>0.93</td>
			<td>94.44</td>
			<td>-0.00349</td>
		</tr>
<tr>
<td>4</td>
			<td>-5</td>
			<td>-5</td>
			<td>0</td>
			<td>4.51</td>
			<td>102.00</td>
			<td>5.72</td>
			<td>1.00</td>
			<td>96.40</td>
			<td>-0.00235</td>
		</tr>
<tr>
<td>5</td>
			<td>-5</td>
			<td>30</td>
			<td>35</td>
			<td>5.26</td>
			<td>91.66</td>
			<td>5.74</td>
			<td>0.91</td>
			<td>88.95*</td>
			<td>-0.00627</td>
		</tr>
<tr>
<td>6</td>
			<td>-5</td>
			<td>30</td>
			<td>35</td>
			<td>5.29</td>
			<td>90.82</td>
			<td>5.72</td>
			<td>0.82</td>
			<td>89.14*</td>
			<td>-0.00642</td>
		</tr>
<tr>
<td>7</td>
			<td>0</td>
			<td>-20</td>
			<td>20</td>
			<td>3.03</td>
			<td>101.54</td>
			<td>5.62</td>
			<td>0.85</td>
			<td>96.42</td>
			<td>-0.00219</td>
		</tr>
<tr>
<td>8</td>
			<td>0</td>
			<td>-20</td>
			<td>20</td>
			<td>3.04</td>
			<td>99.00</td>
			<td>5.65</td>
			<td>0.93</td>
			<td>96.22</td>
			<td>-0.00223</td>
		</tr>
<tr>
<td>9</td>
			<td>5</td>
			<td>5</td>
			<td>0</td>
			<td>5.33</td>
			<td>97.27</td>
			<td>5.67</td>
			<td>0.93</td>
			<td>94.08</td>
			<td>-0.00239</td>
		</tr>
<tr>
<td>10</td>
			<td>5</td>
			<td>5</td>
			<td>0</td>
			<td>5.35</td>
			<td>97.00</td>
			<td>5.64</td>
			<td>0.84</td>
			<td>94.31</td>
			<td>-0.00233</td>
		</tr>
<tr>
<td>11</td>
			<td>12</td>
			<td>-10</td>
			<td>22</td>
			<td>4.02</td>
			<td>100.36</td>
			<td>5.49</td>
			<td>0.92</td>
			<td>91.83</td>
			<td>-0.00335</td>
		</tr>
<tr>
<td>12</td>
			<td>12</td>
			<td>-10</td>
			<td>22</td>
			<td>4.03</td>
			<td>99.30</td>
			<td>5.51</td>
			<td>0.90</td>
			<td>90.41</td>
			<td>-0.00379</td>
		</tr>
<tr>
<td>13</td>
			<td>12</td>
			<td>12</td>
			<td>0</td>
			<td>5.53</td>
			<td>95.47</td>
			<td>5.65</td>
			<td>0.90</td>
			<td>94.51</td>
			<td>-0.00331</td>
		</tr>
<tr>
<td>14</td>
			<td>12</td>
			<td>12</td>
			<td>0</td>
			<td>5.51</td>
			<td>96.09</td>
			<td>5.64</td>
			<td>0.88</td>
			<td>94.90</td>
			<td>-0.00299</td>
		</tr>
<tr>
<td>15</td>
			<td>15</td>
			<td>-20</td>
			<td>35</td>
			<td>3.03</td>
			<td>102.21</td>
			<td>5.77</td>
			<td>0.94</td>
			<td>95.68*</td>
			<td>-0.00379</td>
		</tr>
<tr>
<td>16</td>
			<td>15</td>
			<td>-20</td>
			<td>35</td>
			<td>3.01</td>
			<td>102.11</td>
			<td>5.72</td>
			<td>0.95</td>
			<td>95.60*</td>
			<td>-0.00406</td>
		</tr>
<tr>
<td>17</td>
			<td>30</td>
			<td>-5</td>
			<td>35</td>
			<td>4.61</td>
			<td>90.80</td>
			<td>5.55</td>
			<td>0.92</td>
			<td>81.85</td>
			<td>-0.00994</td>
		</tr>
<tr>
<td>18</td>
			<td>30</td>
			<td>-5</td>
			<td>35</td>
			<td>4.62</td>
			<td>90.00</td>
			<td>5.60</td>
			<td>0.95</td>
			<td>81.20</td>
			<td>-0.01027</td>
		</tr>
<tr>
<td>19</td>
			<td>30</td>
			<td>30</td>
			<td>0</td>
			<td>5.50</td>
			<td>85.50</td>
			<td>5.61</td>
			<td>0.92</td>
			<td>85.42</td>
			<td>-0.00794</td>
		</tr>
<tr>
<td>20</td>
			<td>30</td>
			<td>30</td>
			<td>0</td>
			<td>5.48</td>
			<td>86.00</td>
			<td>5.57</td>
			<td>0.90</td>
			<td>86.09</td>
			<td>-0.00766</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="10">* 95 주기 후 회색 영역 테스트 프로토콜 나타냅니다 어디 Tc Td를 =</td>
		</tr>
</tbody></table>표 1. 정격 및 셀에 대 한 계산 된 매개 변수는 다양 한 온도 조합에서 테스트. [충전의Tc c: 온도, 방전, δ T c:의 Td c: 온도 | Td - Tc |, C1/Ah: 장기 노화의 용량을 먼저 주기 CR장기 (%): 첫 번째 사이클, C나/Ah 상대적인 용량 보존: 초기 용량 계산에 주기, CRref (%)를 참조: 첫 번째 참조 사이클, 박사 (아 n-1)를 기준으로 용량 보존 / 아: 100 사이클 (선형 추세 가정), 후 참조 사이클에서 저하 속도 계산 n = 사이클 수.]
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The Effect of Charging and Discharging Lithium Iron Phosphate-graphite Cells at Different Temperatures on Degradation

이 문서는 리튬 철 인산 염-흑연 파우치 셀, 실제 시나리오에 가까운 시뮬레이션에의 저하에 서로 다른 충전/방전 온도 효과를 설명 합니다. 총, 10 온도 조합 온도 저하에 미치는 영향을 분석 하기 위해 30 ° c 범위-20에에서 조사 됩니다.

충전 및 방전 리튬 철 인산 염-흑연 셀 저하에 다른 온도에서 효과

The effect of charging and discharging lithium iron phosphate-graphite cells at different temperatures on their degradation is evaluated systematically. ...

the-effect-charging-discharging-lithium-iron-phosphate-graphite-cells

Research

JoVE Journal

Chemistry

15.4K 조회수.  European Commission, Joint Research Centre (JRC). 이 문서는 리튬 철 인산 염-흑연 파우치 셀, 실제 시나리오에 가까운 시뮬레이션에의 저하에 서로 다른 충전/방전 온도 효과를 설명 합니다. 총, 10 온도 조합 온도 저하에 미치는 영향을 분석 하기 위해 30 ° c 범위-20에에서 조사 됩니다.

비디오: The Effect of Charging and Discharging Lithium Iron Phosphate-graphite Cells at Different Temperatures on Degradation

Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 &deg;C), flammable, and volatile organic electrolytes. These organic based electrolyte systems are viable at ambient temperatures, but require a cooling system to ensure that temperatures do not exceed 80 &deg;C. These cooling systems tend to increase battery costs and can malfunction which can lead to battery malfunction and explosions, thus endangering human life. Increases in petroleum prices lead to a huge demand for safe, electric hybrid vehicles that are more economically viable to operate as oil prices continue to rise. Existing organic based electrolytes used in lithium ion batteries are not applicable to high temperature automotive applications. A safer alternative to organic electrolytes is solid polymer electrolytes. This work will highlight the synthesis for a graft copolymer electrolyte (GCE) poly(oxyethylene) methacrylate (POEM) to a block with a lower glass transition temperature (Tg) poly(oxyethylene) acrylate (POEA). The conduction mechanism has been discussed and it has been demonstrated the relationship between polymer segmental motion and ionic conductivity indeed has a Vogel-Tammann-Fulcher (VTF) dependence. Batteries containing commercially available LP30 organic (LiPF6 in ethylene carbonate (EC):dimethyl carbonate (DMC) at a 1:1 ratio) and GCE were cycled at ambient temperature. It was found that at ambient temperature, the batteries containing GCE showed a greater overpotential when compared to LP30 electrolyte. However at temperatures greater than 60 &deg;C, the GCE cell exhibited much lower overpotential due to fast polymer electrolyte conductivity and nearly the full theoretical specific capacity of 170 mAh/g was accessed.

Lithium ion batteries employ flammable and volatile organic electrolytes that are suitable for ambient temperature applications. A safer alternative to organic electrolytes are solid polymer batteries. Solid polymer batteries operate safely at high temperatures (&gt;120 &deg;C), thus making them applicable to high temperature applications such as deep oil drilling and hybrid electric vehicles. This paper will discuss (a) the polymer synthesis, (b) the polymer conduction mechanism, and (c) provide temperature cycling for both solid polymer and organic electrolytes.

리튬 배터리 애플리케이션을위한 고체 그래프트 공중 합체 전해질

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 ...

연구

공학

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. During insertion or removal of alkali metal ions, the redox states of transition metals in the compounds change and structural transformations such as phase transitions and/or lattice parameter increases or decreases occur. These behaviors in turn determine important characteristics of the batteries such as the potential profiles, rate capabilities, and cycle lives. The extremely bright and tunable x-rays produced by synchrotron radiation allow rapid acquisition of high-resolution data that provide information about these processes. Transformations in the bulk materials, such as phase transitions, can be directly observed using X-ray diffraction (XRD), while X-ray absorption spectroscopy (XAS) gives information about the local electronic and geometric structures (e.g.&#160;changes in redox states and bond lengths). In situ experiments carried out on operating cells are particularly useful because they allow direct correlation between the electrochemical and structural properties of the materials. These experiments are time-consuming and can be challenging to design due to the reactivity and air-sensitivity of the alkali metal anodes used in the half-cell configurations, and/or the possibility of signal interference from other cell components and hardware. For these reasons, it is appropriate to carry out ex situ experiments (e.g.&#160;on electrodes harvested from partially charged or cycled cells) in some cases. Here, we present detailed protocols for the preparation of both ex situ and in situ samples for experiments involving synchrotron radiation and demonstrate how these experiments are done.

We describe the use of synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray diffraction (XRD) techniques to probe details of intercalation/deintercalation processes in electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries. Both in situ and ex situ experiments are used to understand structural behavior relevant to the operation of devices

방사광 기술을 사용하여 리튬 이온과 나트륨 이온 배터리 용 전극 재료의 특성

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric vehicles.1,2 However, many challenges, such as energy density and battery lifetimes, need to be overcome before this particular battery technology can be widely implemented in such applications.3 This research is challenging, and we outline a method to address these challenges using in situ NPD to probe the crystal structure of electrodes undergoing electrochemical cycling (charge/discharge) in a battery. NPD data help determine the underlying structural mechanism responsible for a range of electrode properties, and this information can direct the development of better electrodes and batteries.
We briefly review six types of battery designs custom-made for NPD experiments and detail the method to construct the &#8216;roll-over&#8217; cell that we have successfully used on the high-intensity NPD instrument, WOMBAT, at the Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO). The design considerations and materials used for cell construction are discussed in conjunction with aspects of the actual in situ NPD experiment and initial directions are presented on how to analyze such complex in situ data.

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

We describe the design and construction of an electrochemical cell for the examination of electrode materials using in situ neutron powder diffraction (NPD). We briefly comment on alternate in situ NPD cell designs and discuss methods for the analysis of the corresponding in situ NPD data produced using this cell.

제자리 중성자 분말 회절에서 사용자 정의 - 만든 리튬 이온 배터리를 사용하여

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational analysis. Testing of lithium-ion batteries in an academic setting has taken on several forms, but at the most basic level lies the coin cell construction. In traditional LIB electrode preparation, a multi-phase slurry composed of active material, binder, and conductive additive is cast out onto a substrate. An electrode disc can then be punched from the dried sheet and used in the construction of a coin cell for electrochemical evaluation. Utilization of the potential of the active material in a battery is critically dependent on the microstructure of the electrode, as an appropriate distribution of the primary components are crucial to ensuring optimal electrical conductivity, porosity, and tortuosity, such that electrochemical and transport interaction is optimized. Processing steps ranging from the combination of dry powder, wet mixing, and drying can all critically affect multi-phase interactions that influence the microstructure formation. Electrochemical probing necessitates the construction of electrodes and coin cells with the utmost care and precision. This paper aims at providing a step-by-step guide of non-aqueous electrode processing and coin cell construction for lithium-ion batteries within an academic setting and with emphasis on deciphering the influence of drying and calendaring.

Non-aqueous electrode processing is central to the construction of coin cells and the evaluation of new electrode chemistries for lithium-ion batteries. A step-by-step guide to the basic practices needed as an electrochemical engineer working with batteries in an academic experimental setting is furnished.

리튬 이온 코인 셀의 비수 전극 가공 및 건설

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

Protocol of Electrochemical Test and Characterization of Aprotic Li-O2 Battery

We demonstrate a method for electrochemical testing of an aprotic Li-O2 battery. An aprotic Li-O2 battery is made of a Li-metal anode, an aprotic electrolyte, and an O2-breathing cathode. The aprotic electrolyte is a solution of lithium salt with aprotic solvent; and porous carbon is commonly used as the cathode substrate. To improve the performance, an electrocatalyst is deposited onto the porous carbon substrate by certain deposition methods, such as atomic layer deposition (ALD) and wet-chemistry reaction. The as-prepared cathode materials are characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and X-ray absorption near edge structure (XANES). A Swagelok-type cell, sealed in a glass chamber filled with pure O2, is used for the electrochemical test on a battery test system. The cells are tested under either capacity-controlled mode or voltage controlled mode. The reaction products are investigated by electron microscopy, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, and Raman spectroscopy to study the possible pathway of oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER). This protocol demonstrates a systematic and efficient arrangement of routine tests of the aprotic Li-O2 battery, including the electrochemical test and characterization of battery materials.

Protocol of Electrochemical Test and Characterization of Aprotic Li-O2 Battery

A protocol for the electrochemical testing of an aprotic Li-O2 battery with the preparation of electrodes and electrolytes and an introduction of the frequently used methods of characterization is presented here.

비 양성 자성 리튬 O의 전기 시험 프로토콜 및 특성<sub&gt; 2</sub&gt; 배터리

We demonstrate a method for electrochemical testing of an aprotic Li-O2 battery. An aprotic Li-O2 battery is made of a Li-metal anode, an aprotic ...

Synthesis of Ionic Liquid Based Electrolytes, Assembly of Li-ion Batteries, and Measurements of Performance at High Temperature

The chemical instability of the traditional electrolyte remains a safety issue in widely used energy storage devices such as Li-ion batteries. Li-ion batteries for use in devices operating at elevated temperatures require thermally stable and non-flammable electrolytes. Ionic liquids (ILs), which are non-flammable, non-volatile, thermally stable molten salts, are an ideal replacement for flammable and low boiling point organic solvent electrolytes currently used today. We herein describe the procedures to: 1) synthesize mono- and di-phosphonium ionic liquids paired with chloride or bis(trifluoromethane)sulfonimide (TFSI) anions; 2) measure the thermal properties and stability of these ionic liquids by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA); 3) measure the electrochemical properties of the ionic liquids by cyclic voltammetry (CV); 4) prepare electrolytes containing lithium bis(trifluoromethane)sulfonamide; 5) measure the conductivity of the electrolytes as a function of temperature; 6) assemble a coin cell battery with two of the electrolytes along with a Li metal anode and LiCoO2 cathode; and 7) evaluate battery performance at 100 &#176;C. We additionally describe the challenges in execution as well as the insights gained from performing these experiments.

Here, we describe protocols to prepare phosphonium-based ionic liquid and lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide salt electrolytes, and assemble a non-flammable and high temperature functioning lithium-ion coin cell battery.

이온 성 액체 기반 전해질의 합성 리튬 이온 배터리의 조립 및 고온에서의 성능 측정

The chemical instability of the traditional electrolyte remains a safety issue in widely used energy storage devices such as Li-ion batteries. Li-ion ...

Accelerating Rate Calorimetry and Complementary Techniques to Characterize Battery Safety Hazards

The hazards associated with lithium-based battery chemistries are well-documented due to their catastrophic nature. Risk is typically qualitatively assessed through an engineering risk matrix. Within the matrix, potentially hazardous events are categorized and ranked in terms of severity and probability to provide situational awareness to decision makers and stakeholders. The stochastic nature of battery failures, particularly the lithium-ion chemistry, makes the probability axis of a matrix difficult to properly assess. Fortunately, characterization tools exist, such as accelerated rate calorimetry (ARC), that characterize degrees of battery failure severity. ARC has been used extensively to characterize reactive chemicals but can provide a new application to induce battery failures under safe, controlled experimental conditions and quantify critical safety parameters. Due to the robust nature of the extended volume calorimeter, cells may be safely taken to failure due to a variety of abuses: thermal (simple heating of cell), electrochemical (overcharge), electrical (external short circuit), or physical (crush or nail penetration). This article describes the procedures to prepare and instrument a commercial lithium-ion battery cell for failure in an ARC to collect valuable safety data: onset of thermal runaway, endotherm associated with polymer separator melting, pressure release during thermal runaway, gaseous collection for analytical characterization, maximum temperature of complete reaction, and visual observation of decomposition processes using a high temperature borescope (venting and cell can breach). A thermal &#8220;heat-wait-seek&#8221; method is used to induce cell failure, in which the battery is heated incrementally to a set point, then the instrument identifies heat generation from the battery. As heat generates a temperature rise in the battery, the calorimeter temperature follows this temperature rise, maintaining an adiabatic condition. Therefore, the cell does not exchange heat with the external environment, so all heat generation from the battery under failure is captured.

A method to characterize the potential failure hazards of lithium batteries is achieved with accelerating rate calorimetry. Heat and pressure release, visual observation of the failure event, and the capture of evolved gases are collected in this experiment to identify the worst credible threats of batteries taken to failure.

The hazards associated with lithium-based battery chemistries are well-documented due to their catastrophic nature. Risk is typically qualitatively ...

화학

Identification and Quantification of Decomposition Mechanisms in Lithium-Ion Batteries; Input to Heat Flow Simulation for Modeling Thermal Runaway

The risks and possible accidents related to the normal use of lithium-ion batteries remain a serious concern. In order to get a better understanding of thermal runaway (TR), the exothermic decomposition reactions in anode and cathode were studied, using a Simultaneous Thermal Analysis (STA)/Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS)/Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer system. These techniques allowed the identification of the reaction mechanisms in each electrode, owing to the analysis of evolved gaseous species, the amount of heat released and mass loss. These results provided insight into the thermal events happening within a broader temperature range than covered in previously published models. This allowed the formulation of an improved thermal model to depict TR. The heat of reaction, activation energy, and frequency factor (thermal triplets) for each major exothermic process at material level were investigated in a Lithium Nickel-Manganese-Cobalt-Oxide (NMC (111))-Graphite battery cell. The results were analyzed, and their kinetics were derived. These data can be used to successfully simulate the experimental heat flow.

This work aims at determining the reaction kinetics of Li-ion battery cathode and anode materials undergoing thermal runaway (TR). Simultaneous Thermal Analysis (STA)/Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer/Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC-MS) were used to reveal thermal events and to detect evolved gases.

The risks and possible accidents related to the normal use of lithium-ion batteries remain a serious concern. In order to get a better understanding of ...

In Situ Gas Analysis and Fire Characterization of Lithium-Ion Cells During Thermal Runaway Using an Environmental Chamber

An experimental apparatus and a standard operating procedure (SOP) are developed to collect time-resolved data on the gas compositions and fire characteristics during and post-thermal runaway of lithium-ion battery (LIB) cells. A 18650 cylindrical cell is conditioned to a desired state-of-charge (SOC; 30%, 50%, 75%, and 100%) before each experiment. The conditioned cell is forced into a thermal runaway by an electrical heating tape at a constant heating rate (10 &#176;C/min) in an environmental chamber (volume: ~600 L). The chamber is connected to a Fourier transform infrared (FTIR) gas analyzer for real-time concentration measurements. Two camcorders are used to record major events, such as cell venting, thermal runaway, and the subsequent burning process. The conditions of the cell, such as surface temperature, mass loss, and voltage, are also recorded. With the data obtained, cell pseudo-properties, venting gas compositions, and venting mass rate can be deduced as functions of cell temperature and cell SOC. While the test procedure is developed for a single cylindrical cell, it can be readily extended to test different cell formats and study fire propagation between multiple cells. The collected experimental data can also be used for the development of numerical models for LIB fires.

In Situ Gas Analysis and Fire Characterization of Lithium-Ion Cells During Thermal Runaway Using an Environmental Chamber

Here, we describe a test procedure developed to characterize thermal runaway and fires in lithium-ion cells through in situ measurements of various parameters in an environmental chamber.

현장 환경 챔버를 사용한 열 폭주 중 리튬 이온 전지의 가스 분석 및 화재 특성 분석

An experimental apparatus and a standard operating procedure (SOP) are developed to collect time-resolved data on the gas compositions and fire ...

먼지가 많은 환경에서 배터리 열 관리 최적화

Optimization of An Air-Based Heat Management System for Dusty Particulate Matter-Covered Lithium-Ion Battery Packs

This study aims to solve the problem of the cell temperature rise and performance decline caused by dusty particulate matter covering the surface of the cell through the allocation of airflow velocities at the inlets of the battery cooling box under the goal of low energy consumption. We take the maximum temperature of the battery pack at a specified airflow velocity and dust-free environment as the expected temperature in a dusty environment. The maximum temperature of the battery pack in a dusty environment is solved at different inlet airflow velocities, which are the boundary conditions of the analysis model constructed in the simulation software. The arrays representing the different airflow velocity combinations of inlets are generated randomly through the optimal Latin hypercube algorithm (OLHA), where the lower and upper limits of velocities corresponding to the temperatures above the desired temperature are set in the optimization software. We establish an approximate QRSM between the velocity combination and the maximum temperature using the fitting module of the optimization software. The QRSM is optimized based on the ASAM, and the optimal result is in good agreement with the analysis result obtained by the simulation software. After optimization, the flow rate of the middle inlet is changed from 5.5 m/s to 5 m/s, and the total airflow velocity is decreased by 3%. The protocol here presents an optimization method simultaneously considering energy consumption and thermal performance of the battery management system that has been established, and it can be widely used to improve the life cycle of the battery pack with minimum operating cost.

저자 스포트라이트: 열 성능 향상 및 에너지 소비 감소를 위한 배터리 냉각 시스템의 공기 흐름 속도 최적화 

Here, we present the adaptive simulated annealing method (ASAM) to optimize an approximate quadratic response surface model (QRSM) corresponding to a dusty particulate matter-covered battery heat management system and fulfill the temperature drops back by adjusting the airflow velocities combination of system inlets.

먼지가 많은 미립자 물질로 덮인 리튬 이온 배터리 팩을 위한 공기 기반 열 관리 시스템 최적화

This study aims to solve the problem of the cell temperature rise and performance decline caused by dusty particulate matter covering the surface of the ...