מדריך מקיף לניתוח עקומת פריקת סוללת ליתיום-יון

מבחן הביצועים הנפוץ ביותר של סוללת ליתיום-יון - אסטרטגיית ניתוח עקומת הפריקה

כאשר סוללת הליתיום-יון מתרוקנת, מתח העבודה שלה תמיד משתנה כל הזמן עם המשך הזמן. מתח העבודה של הסוללה משמש כאורינטה, זמן פריקה או קיבולת, או מצב טעינה (SOC), או עומק פריקה (DOD) כאבססיס, והעקומה המצוירת נקראת עקומת הפריקה. כדי להבין את עקומת הפריקה האופיינית של סוללה, ראשית עלינו להבין את המתח של הסוללה באופן עקרוני.

[מתח הסוללה]

כדי שתגובת האלקטרודה תיווצר הסוללה צריכה לעמוד בתנאים הבאים: יש להפריד בין תהליך איבוד האלקטרון בתגובה הכימית (כלומר תהליך חמצון) לבין תהליך קבלת האלקטרון (כלומר תהליך תגובת הפחתה) בשני אזורים שונים, שהוא שונה מתגובת החיזור הכללית; תגובת החיזור של החומר הפעיל של שתי אלקטרודות חייבת להיות מועברת על ידי המעגל החיצוני, השונה מתגובת המיקרו-סוללה בתהליך קורוזיה מתכת. המתח של הסוללה הוא הפרש הפוטנציאלים בין האלקטרודה החיובית לאלקטרודה השלילית. הפרמטרים המרכזיים הספציפיים כוללים מתח מעגל פתוח, מתח עבודה, מתח ניתוק טעינה ופריקה וכו'.

[פוטנציאל אלקטרודה של חומר סוללת ליתיום-יון]

פוטנציאל אלקטרודה מתייחס לטבילה של חומר מוצק בתמיסת האלקטרוליט, המראה את האפקט החשמלי, כלומר, הפרש הפוטנציאלים בין פני המתכת לתמיסה. הפרש פוטנציאל זה נקרא הפוטנציאל של המתכת בתמיסה או הפוטנציאל של האלקטרודה. בקיצור, פוטנציאל האלקטרודה הוא נטייה של יון או אטום לרכוש אלקטרון.

לכן, עבור אלקטרודה חיובית מסוימת או חומר אלקטרודה שלילי, כאשר מניחים אותו באלקטרוליט עם מלח ליתיום, פוטנציאל האלקטרודה שלו מתבטא כך:

כאשר φ c הוא פוטנציאל האלקטרודה של חומר זה. פוטנציאל אלקטרודת המימן הסטנדרטי נקבע ל-0.0V.

[מתח מעגל פתוח של הסוללה]

הכוח האלקטרו-מוטיבי של הסוללה הוא הערך התיאורטי המחושב לפי תגובת הסוללה בשיטה התרמודינמית, כלומר ההבדל בין פוטנציאל אלקטרודת שיווי המשקל של הסוללה לבין האלקטרודות החיוביות והשליליות כאשר המעגל נשבר הוא הערך המקסימלי שהסוללה יכולה לתת את המתח. למעשה, האלקטרודות החיוביות והשליליות אינן בהכרח במצב שיווי משקל תרמודינמי באלקטרוליט, כלומר, פוטנציאל האלקטרודה שנוצר על ידי האלקטרודות החיוביות והשליליות של הסוללה בתמיסת האלקטרוליט אינו בדרך כלל פוטנציאל אלקטרודת שיווי המשקל, ולכן מתח המעגל הפתוח של הסוללה בדרך כלל קטן יותר מהכוח האלקטרו-מוטורי שלה. לתגובת האלקטרודה:

בהתחשב במצב הלא תקני של רכיב המגיב והפעילות (או הריכוז) של הרכיב הפעיל לאורך זמן, מתח המעגל הפתוח בפועל של התא משתנה על ידי משוואת האנרגיה:

כאשר R הוא קבוע הגז, T הוא טמפרטורת התגובה, ו-a הוא הפעילות או הריכוז של הרכיב. מתח המעגל הפתוח של הסוללה תלוי במאפיינים של חומר האלקטרודה החיובי והשלילי, באלקטרוליט ובתנאי הטמפרטורה, ואינו תלוי בגיאומטריה ובגודל הסוללה. הכנת חומר אלקטרודת ליתיום יון לתוך המוט, ויריעת מתכת ליתיום מורכבת לחצי סוללה כפתור, יכולה למדוד את חומר האלקטרודה במצב SOC שונה של מתח פתוח, עקומת מתח פתוח היא תגובת מצב טעינת חומר האלקטרודה, ירידת מתח פתוחה לאחסון סוללה, אבל לא מאוד גדול, אם המתח הפתוח יורד מהר מדי או משרעת היא תופעה חריגה. שינוי מצב פני השטח של החומרים הפעילים הדו-קוטביים והפריקה העצמית של הסוללה הם הסיבות העיקריות לירידה במתח המעגל הפתוח באחסון, כולל שינוי שכבת המסכה של טבלת החומרים החיוביים והשליליים של האלקטרודות; השינוי הפוטנציאלי הנגרם על ידי חוסר היציבות התרמודינמית של האלקטרודה, פירוק ומשקעים של זיהומים זרים ממתכת, והקצר המיקרו הנגרם על ידי הסרעפת בין האלקטרודות החיוביות והשליליות. כאשר סוללת הליתיום יון מזדקנת, השינוי בערך K (מפלת מתח) הוא תהליך היווצרות ויציבות של סרט ה-SEI על פני חומר האלקטרודה. אם נפילת המתח גדולה מדי, יש מיקרו קצר בפנים, והסוללה נחשבת לא כשירה.

[קיטוב הסוללה]

כאשר הזרם עובר דרך האלקטרודה, התופעה שהאלקטרודה חורגת מפוטנציאל האלקטרודה שיווי המשקל נקראת קיטוב, והקיטוב מייצר את פוטנציאל היתר. על פי הגורמים לקיטוב, ניתן לחלק את הקיטוב לקיטוב אוהמי, קיטוב ריכוז וקיטוב אלקטרוכימי. תאנה. 2 היא עקומת הפריקה האופיינית של הסוללה והשפעת הקיטוב השונים על המתח.

 איור 1. עקומת פריקה אופיינית וקיטוב

(1) קיטוב אוהם: נגרם מהתנגדות של כל חלק בסוללה, ערך ירידת הלחץ עוקב אחר חוק אוהם, הזרם יורד, הקיטוב יורד מיד, והזרם נעלם מיד לאחר הפסקתו.

(2) קיטוב אלקטרוכימי: הקיטוב נגרם על ידי התגובה האלקטרוכימית האיטית על פני האלקטרודה. הוא ירד באופן משמעותי ברמת המיקרו-שנייה ככל שהזרם נעשה קטן יותר.

(3) קיטוב ריכוז: עקב עיכוב תהליך דיפוזיית היונים בתמיסה, הפרש הריכוזים בין פני האלקטרודה לגוף התמיסה מקוטב תחת זרם מסוים. קיטוב זה פוחת או נעלם ככל שהזרם החשמלי פוחת בשניות המקרוסקופיות (כמה שניות עד עשרות שניות).

ההתנגדות הפנימית של הסוללה גדלה עם עליית זרם הפריקה של הסוללה, וזה בעיקר בגלל שזרם הפריקה הגדול מגביר את מגמת הקיטוב של הסוללה, וככל שזרם הפריקה גדול יותר, מגמת הקיטוב ברורה יותר, כפי שמוצג. באיור 2. על פי חוק אוהם: V=E0-IRT, עם עליית ההתנגדות הכוללת הפנימית RT, הזמן הדרוש למתח הסוללה להגיע למתח ניתוק הפריקה מצטמצם בהתאם, כך שגם קיבולת השחרור מצטמצמת. מוּפחָת.

איור 2. השפעת צפיפות הזרם על הקיטוב

סוללת ליתיום יון היא בעצם סוג של סוללת ריכוז ליתיום יון. תהליך הטעינה והפריקה של סוללת ליתיום יון הוא תהליך ההטמעה וההפשטה של ​​יוני ליתיום באלקטרודות החיוביות והשליליות. גורמים המשפיעים על הקיטוב של סוללות ליתיום-יון כוללים:

(1) השפעת האלקטרוליט: המוליכות הנמוכה של האלקטרוליט היא הסיבה העיקרית לקיטוב של סוללות ליתיום יון. בטווח הטמפרטורות הכללי, המוליכות של האלקטרוליט המשמש לסוללות ליתיום-יון היא בדרך כלל רק 0.01~0.1S/cm, שהם אחוז אחד מהתמיסה המימית. לכן, כאשר סוללות ליתיום-יון מתפרקות בזרם גבוה, מאוחר מדי להשלים את Li+ מהאלקטרוליט, ותתרחש תופעת הקיטוב. שיפור המוליכות של האלקטרוליט הוא גורם המפתח לשיפור יכולת הפריקה בזרם גבוה של סוללות ליתיום-יון.

(2) ההשפעה של חומרים חיוביים ושליליים: התעלה הארוכה יותר של חומר חיובי ושלילי מתפשטת חלקיקי ליתיום יון גדולים אל פני השטח, שאינה תורמת לפריקה בקצב גדול.

(3) סוכן מוליך: התוכן של חומר מוליך הוא גורם חשוב המשפיע על ביצועי הפריקה של יחס גבוה. אם תכולת החומר המוליך בנוסחת הקתודה אינה מספקת, לא ניתן להעביר את האלקטרונים בזמן כאשר הזרם הגדול משתחרר, וההתנגדות הפנימית של הקיטוב גדלה במהירות, כך שמתח הסוללה מופחת במהירות למתח הניתוק הפריקה .

(4) השפעת עיצוב המוט: עובי המוט: במקרה של פריקת זרם גדולה, מהירות התגובה של חומרים פעילים היא מהירה מאוד, מה שמצריך הטמעה וניתוק מהיר של יון ליתיום בחומר. אם לוחית הקוטב עבה והנתיב של דיפוזיה של יוני ליתיום גדל, כיוון עובי המוט ייצור שיפוע ריכוז יון ליתיום גדול.

צפיפות הדחיסה: צפיפות הדחיסה של יריעת המוט גדולה יותר, הנקבובית הולכת ונעשית קטנה יותר ומסלול תנועת יון הליתיום בכיוון עובי יריעת המוט ארוך יותר. בנוסף, אם צפיפות הדחיסה גדולה מדי, שטח המגע בין החומר לאלקטרוליט יורד, אתר התגובה של האלקטרודה מצטמצם, וגם ההתנגדות הפנימית של הסוללה תגדל.

(5) השפעת ממברנת SEI: היווצרות ממברנת SEI מגבירה את ההתנגדות של ממשק האלקטרודה/אלקטרוליט, וכתוצאה מכך להיסטרזיס או קיטוב של מתח.

[מתח הפעלה של הסוללה]

מתח הפעלה, הידוע גם כמתח קצה, מתייחס להפרש הפוטנציאל בין האלקטרודות החיוביות והשליליות של הסוללה כאשר הזרם זורם במעגל במצב עבודה. במצב העבודה של פריקת הסוללה, כאשר הזרם זורם דרך הסוללה, יש להתגבר על ההתנגדות הנגרמת על ידי ההתנגדות הפנימית, מה שיגרום לירידה בלחץ אומה ולקיטוב אלקטרודות, כך שמתח העבודה תמיד נמוך ממתח המעגל הפתוח, ובעת טעינה, מתח הקצה תמיד גבוה ממתח המעגל הפתוח. כלומר, תוצאת הקיטוב הופכת את מתח הקצה של פריקת הסוללה לנמוך מהפוטנציאל האלקטרו-מוטיבי של הסוללה, שהוא גבוה מהפוטנציאל האלקטרו-מוטיבי של הסוללה הטעינה.

עקב קיומה של תופעת קיטוב, המתח המיידי והמתח בפועל בתהליך הטעינה והפריקה. בעת הטעינה, המתח המיידי גבוה מעט מהמתח בפועל, הקיטוב נעלם והמתח יורד כאשר המתח המיידי והמתח בפועל יורדים לאחר הפריקה.

לסיכום התיאור לעיל, הביטוי הוא:

E +, E- -מייצגים את הפוטנציאלים של האלקטרודות החיוביות והשליליות, בהתאמה, E + 0 ו-E- -0 מייצגות את פוטנציאל אלקטרודת שיווי המשקל של האלקטרודות החיוביות והשליליות, בהתאמה, VR מייצג את מתח הקיטוב האוהמי, ו- η + , η - -מייצגים את פוטנציאל היתר של האלקטרודות החיוביות והשליליות, בהתאמה.

[עקרון בסיסי של מבחן פריקה]

לאחר הבנה בסיסית של מתח הסוללה, התחלנו לנתח את עקומת הפריקה של סוללות ליתיום-יון. עקומת הפריקה משקפת בעצם את מצב האלקטרודה, שהוא הסופרפוזיציה של שינויי המצב של האלקטרודות החיוביות והשליליות.

ניתן לחלק את עקומת המתח של סוללות ליתיום-יון לאורך תהליך הפריקה לשלושה שלבים

1) בשלב הראשוני של הסוללה, המתח יורד במהירות, וככל שקצב הפריקה גדול יותר, המתח יורד מהר יותר;

2) מתח המצבר נכנס לשלב שינוי איטי, הנקרא אזור הפלטפורמה של המצבר. ככל שקצב הפריקה קטן יותר,

ככל שמשך שטח הפלטפורמה ארוך יותר, מתח הפלטפורמה גבוה יותר, כך ירידת המתח נמוכה יותר.

3) כאשר כוח הסוללה כמעט נגמר, מתח הטעינה של הסוללה מתחיל לרדת בחדות עד שמגיעים למתח עצירת הפריקה.

במהלך הבדיקה, ישנן שתי דרכים לאסוף נתונים

(1) אסוף את הנתונים של זרם, מתח וזמן לפי מרווח הזמן שנקבע Δ t;

(2) אסוף את נתוני הזרם, המתח והזמן בהתאם להפרש שינוי המתח שנקבע Δ V. הדיוק של ציוד טעינה ופריקה כולל בעיקר דיוק זרם, דיוק מתח ודיוק זמן. טבלה 2 מציגה את פרמטרי הציוד של מכונת טעינה ופריקה מסוימת, כאשר% FS מייצג את האחוז מהטווח המלא, ו-0.05%RD מתייחס לשגיאה הנמדדת בטווח של 0.05% מהקריאה. ציוד טעינה ופריקה משתמש בדרך כלל במקור זרם קבוע CNC במקום התנגדות עומס לעומס, כך שלמתח המוצא של הסוללה אין שום קשר להתנגדות הסדרה או להתנגדות הטפילית במעגל, אלא קשור רק למתח E ולהתנגדות הפנימית. r וזרם המעגל I של מקור המתח האידיאלי המקביל לסוללה. אם ההתנגדות משמשת לעומס, הגדר את המתח של מקור המתח האידיאלי של המקביל לסוללה להיות E, ההתנגדות הפנימית היא r, והתנגדות העומס היא R. מדוד את המתח בשני קצוות התנגדות העומס עם המתח מטר, כפי שמוצג באיור לעיל באיור 6. עם זאת, בפועל, יש התנגדות עופרת והתנגדות מגע מתקן (התנגדות טפילית אחידה) במעגל. תרשים המעגל המקביל המוצג באיור. 3 מוצג באיור הבא של איור. 3. בפועל, ההתנגדות הטפילית מוכנסת בהכרח, כך שהתנגדות העומס הכוללת הופכת גדולה, אבל המתח הנמדד הוא המתח בשני קצוות התנגדות העומס R, ולכן השגיאה מוצגת.

 איור 3 תרשים הבלוק העקרוני ותרשים המעגל המקביל בפועל של שיטת פריקת ההתנגדות

כאשר מקור הזרם הקבוע עם הזרם I1 משמש כעומס, הדיאגרמה הסכמטית ותרשים המעגל המקביל בפועל מוצגים באיור 7. E, I1 הם ערכים קבועים ו-r הוא קבוע לזמן מסוים.

מהנוסחה לעיל, אנו יכולים לראות ששני המתחים של A ו-B קבועים, כלומר מתח המוצא של הסוללה אינו קשור לגודל ההתנגדות הסדרתית בלולאה, וכמובן, אין לזה שום קשר עם ההתנגדות הטפילית. בנוסף, מצב המדידה עם ארבעת הדקים יכול להשיג מדידה מדויקת יותר של מתח המוצא של הסוללה.

איור 4 דיאגרמת בלוקים של Equiple ותרשים מעגל שווה ערך בפועל של עומס מקור זרם קבוע

מקור במקביל הוא התקן אספקת חשמל שיכול לספק זרם קבוע לעומס. זה עדיין יכול לשמור על זרם המוצא קבוע כאשר ספק הכוח החיצוני משתנה ומאפייני העכבה משתנים.

[מצב בדיקת פריקה]

ציוד לבדיקת טעינה ופריקה משתמש בדרך כלל במכשיר המוליך למחצה כאלמנט הזרימה. על ידי התאמת אות הבקרה של התקן המוליך למחצה, הוא יכול לדמות עומס של מאפיינים שונים כגון זרם קבוע, לחץ קבוע והתנגדות קבועה וכן הלאה. מצב בדיקת פריקת סוללת ליתיום-יון כולל בעיקר פריקת זרם קבוע, פריקת התנגדות מתמדת, פריקת חשמל קבועה וכו'. בכל מצב פריקה ניתן לחלק גם את הפריקה הרציפה ואת פריקת המרווחים שבהם לפי משך הזמן, ניתן לחלק את פריקת המרווחים לפריקה לסירוגין ופריקת דופק. במהלך בדיקת הפריקה, הסוללה מתרוקנת בהתאם למצב שנקבע, ומפסיקה להתרוקן לאחר הגעה לתנאים שנקבעו. תנאי ניתוק הפריקה כוללים הגדרת ניתוק מתח, הגדרת ניתוק זמן, הגדרת ניתוק קיבולת, הגדרת ניתוק שיפוע מתח שלילי וכו'. השינוי במתח פריקת המצבר קשור למערכת הפריקה, ש הוא, השינוי של עקומת הפריקה מושפע גם ממערכת הפריקה, כולל: זרם פריקה, טמפרטורת פריקה, מתח סיום פריקה; פריקה לסירוגין או מתמשכת. ככל שזרם הפריקה גדול יותר, מתח ההפעלה יורד מהר יותר; עם טמפרטורת הפריקה, עקומת הפריקה משתנה בעדינות.

(1) פריקת זרם קבוע

כאשר פריקת הזרם הקבועה, הערך הנוכחי מוגדר, ואז הערך הנוכחי מושג על ידי התאמת מקור הזרם הקבוע של ה-CNC, כדי לממש את פריקת הזרם הקבועה של הסוללה. במקביל, שינוי המתח הסופי של הסוללה נאסף כדי לזהות את מאפייני הפריקה של הסוללה. פריקת זרם קבוע היא פריקה של אותו זרם פריקה, אך מתח הסוללה ממשיך לרדת, כך שהכוח ממשיך לרדת. איור 5 הוא עקומת המתח והזרם של פריקת הזרם הקבועה של סוללות ליתיום-יון. בשל פריקת הזרם הקבועה, ציר הזמן מומר בקלות לציר הקיבולת (המכפלה של זרם וזמן). איור 5 מציג את עקומת המתח-קיבולת בפריקת זרם קבוע. פריקת זרם קבוע היא שיטת הפריקה הנפוצה ביותר בבדיקות סוללת ליתיום-יון.

איור 5 עקומות טעינת מתח קבוע זרם קבוע ועקומות פריקת זרם קבוע בקצבי מכפיל שונים

(2) פריקת חשמל מתמדת

כאשר ההספק הקבוע מתפרק, ערך ההספק הקבוע P מוגדר תחילה, ומתח המוצא U של הסוללה נאסף. בתהליך הפריקה, P נדרש להיות קבוע, אך U משתנה כל הזמן, ולכן יש צורך להתאים באופן רציף את הזרם I של מקור הזרם הקבוע CNC לפי הנוסחה I = P / U כדי להשיג את המטרה של פריקת הספק קבועה . שמור על עוצמת הפריקה ללא שינוי, מכיוון שהמתח של הסוללה ממשיך לרדת במהלך תהליך הפריקה, כך שהזרם בפריקת החשמל הקבוע ממשיך לעלות. בשל פריקת הכוח הקבועה, ציר קואורדינטות הזמן מומר בקלות לציר הקואורדינטות של האנרגיה (המכפלה של כוח וזמן).

איור 6 עקומות טעינה ופריקה של הספק קבועים בקצבי הכפלה שונים

השוואה בין פריקת זרם קבוע לפריקת חשמל קבועה

איור 7: (א) דיאגרמת קיבולת טעינה ופריקה ביחסים שונים; (ב) עקומת טעינה ופריקה

 איור 7 מציג את התוצאות של בדיקות יחס טעינה ופריקה שונות בשני המצבים של סוללת ליתיום ברזל פוספט. לפי עקומת הקיבולת באיור. 7 (א), עם עליית זרם הטעינה והפריקה במצב זרם קבוע, קיבולת הטעינה והפריקה בפועל של הסוללה יורדת בהדרגה, אך טווח השינויים קטן יחסית. קיבולת הטעינה והפריקה בפועל של הסוללה יורדת בהדרגה עם עליית ההספק, וככל שהמכפיל גדול יותר, כך ירידת הקיבולת מהירה יותר. קיבולת הפריקה של 1 שעה נמוכה ממצב הזרימה הקבועה. יחד עם זאת, כאשר קצב פריקת הטעינה נמוך מקצב ה-5 שעות, קיבולת הסוללה גבוהה יותר בתנאי הספק קבוע, ואילו קיבולת הסוללה גבוהה מקצב ה-5 שעות גבוהה יותר במצב הזרם הקבוע.

מאיור 7 (ב) מציגה את עקומת הקיבולת-מתח, בתנאי של יחס נמוך, סוללת ליתיום ברזל פוספט דו-מצבי עקומת קיבולת-מתח, ושינוי פלטפורמת מתח טעינה ופריקה אינו גדול, אך בתנאי של יחס גבוה, מצב מתח קבוע זרם קבוע של זמן מתח קבוע ארוך יותר באופן משמעותי, ופלטפורמת מתח טעינה גדלה באופן משמעותי, פלטפורמת מתח פריקה מופחתת באופן משמעותי.

(3) פריקת התנגדות מתמדת

כאשר פריקת התנגדות קבועה, ערך התנגדות קבוע R מוגדר תחילה כדי לאסוף את מתח המוצא של הסוללה U. במהלך תהליך הפריקה, R נדרש להיות קבוע, אך U משתנה כל הזמן, כך שערך I הנוכחי של זרם קבוע CNC המקור צריך להיות מותאם כל הזמן לפי הנוסחה I=U / R כדי להשיג את המטרה של פריקת התנגדות מתמדת. המתח של הסוללה תמיד יורד בתהליך הפריקה, וההתנגדות זהה, כך שגם זרם הפריקה I הוא תהליך יורד.

(4) פריקה מתמשכת, פריקה לסירוגין ופריקת דופק

הסוללה מתרוקנת בזרם קבוע, בהספק קבוע ובהתנגדות מתמדת, תוך שימוש בפונקציית התזמון למימוש השליטה בפריקה מתמשכת, פריקה לסירוגין ופריקת דופק. איור 11 מציג את עקומות הזרם ועקומות המתח של מבחן טעינה/פריקה טיפוסי.

איור 8 עקומות זרם ועקומות מתח עבור מבחני טעינה-פריקת דופק טיפוסיים

[מידע כלול בעקומת הפריקה]

עקומת פריקה מתייחסת לעקומת המתח, הזרם, הקיבולת ושינויים אחרים של הסוללה לאורך זמן במהלך תהליך הפריקה. המידע הכלול בעקומת הטעינה והפריקה עשיר מאוד, כולל קיבולת, אנרגיה, מתח עבודה ופלטפורמת מתח, הקשר בין פוטנציאל האלקטרודה למצב המטען וכו'. הנתונים העיקריים שנרשמו במהלך בדיקת הפריקה הם הזמן התפתחות הזרם והמתח. ניתן לקבל פרמטרים רבים מנתונים בסיסיים אלו. להלן פירוט הפרמטרים שניתן לקבל על ידי עקומת הפריקה.

(1) מתח

במבחן הפריקה של סוללת ליתיום יון, פרמטרי המתח כוללים בעיקר פלטפורמת מתח, מתח חציוני, מתח ממוצע, מתח ניתוק וכו'. מתח הפלטפורמה הוא ערך המתח המתאים כאשר השינוי במתח מינימלי ושינוי הקיבולת גדול , שניתן לקבל מערך השיא של dQ / dV. המתח החציוני הוא ערך המתח המתאים של מחצית מקיבולת הסוללה. עבור חומרים ברורים יותר על הפלטפורמה, כגון ליתיום ברזל פוספט וליתיום טיטנאט, המתח החציוני הוא מתח הפלטפורמה. המתח הממוצע הוא השטח האפקטיבי של עקומת המתח-קיבולת (כלומר, אנרגיית פריקת הסוללה) חלקי נוסחת חישוב הקיבולת היא u = U (t) * I (t) dt / I (t) dt. מתח הניתוק מתייחס למתח המינימלי המותר כאשר הסוללה מתרוקנת. אם המתח נמוך ממתח ניתוק הפריקה, המתח בשני קצוות הסוללה יירד במהירות, וייצור פריקה מוגזמת. פריקת יתר עלולה לגרום לנזק לחומר הפעיל של האלקטרודה, לאבד את יכולת התגובה ולקצר את חיי הסוללה. כפי שמתואר בחלק הראשון, המתח של הסוללה קשור למצב הטעינה של החומר הקתודה ולפוטנציאל האלקטרודה.

(2) קיבולת וקיבולת ספציפית

קיבולת הסוללה מתייחסת לכמות החשמל שמשחררת הסוללה תחת מערכת פריקה מסוימת (תחת זרם פריקה מסוים I, טמפרטורת פריקה T, מתח ניתוק פריקה V), המציין את יכולת הסוללה לאגור אנרגיה ב-Ah או C הקיבולת מושפעת מאלמנטים רבים, כגון זרם פריקה, טמפרטורת פריקה וכו'. גודל הקיבולת נקבע לפי כמות החומרים הפעילים באלקטרודות החיוביות והשליליות.

קיבולת תיאורטית: היכולת שנותנת החומר הפעיל בתגובה.

קיבולת בפועל: הקיבולת בפועל המשתחררת תחת מערכת פריקה מסוימת.

קיבולת מדורגת: מתייחס לכמות הכוח המינימלית המובטחת על ידי הסוללה בתנאי הפריקה המתוכננים.

בבדיקת הפריקה מחשבים את הקיבולת על ידי שילוב הזרם לאורך זמן, כלומר C = I (t) dt, זרם קבוע ב-t פריקה קבועה, C = I (t) dt = I t; התנגדות קבועה R פריקה, C = I (t) dt = (1 / R) * U (t) dt (1 / R) * out (u הוא מתח הפריקה הממוצע, t הוא זמן הפריקה).

קיבולת ספציפית: על מנת להשוות בין הסוללות השונות, מוצג הרעיון של קיבולת ספציפית. קיבולת ספציפית מתייחסת לקיבולת הניתנת על ידי החומר הפעיל של יחידת המסה או אלקטרודת יחידת הנפח, הנקראת קיבולת המסה הספציפית או הקיבולת הספציפית לנפח. שיטת החישוב הרגילה היא: קיבולת ספציפית = קיבולת פריקה ראשונה של הסוללה / (מסת החומר הפעיל * שיעור ניצול החומר הפעיל)

גורמים המשפיעים על קיבולת הסוללה:

א. זרם הפריקה של הסוללה: ככל שהזרם גדול יותר, קיבולת הפלט פוחתת;

ב. טמפרטורת פריקה של הסוללה: כאשר הטמפרטורה יורדת, קיבולת הפלט פוחתת;

ג. מתח ניתוק הפריקה של הסוללה: זמן הפריקה שנקבע על ידי חומר האלקטרודה והגבול של תגובת האלקטרודה עצמה הוא בדרך כלל 3.0V או 2.75V.

ד. זמני טעינה ופריקה של הסוללה: לאחר טעינה ופריקה מרובים של הסוללה, עקב כשל בחומר האלקטרודה, הסוללה תוכל להפחית את כושר הפריקה של הסוללה.

ה. תנאי הטעינה של הסוללה: קצב טעינה, טמפרטורה, מתח ניתוק משפיעים על קיבולת הסוללה ובכך קובעים את כושר הפריקה.

 שיטת קביעת קיבולת הסוללה:

לתעשיות שונות יש תקני בדיקה שונים בהתאם לתנאי העבודה. עבור סוללות ליתיום-יון למוצרי 3C, לפי התקן הלאומי GB / T18287-2000 מפרט כללי עבור סוללות ליתיום-יון לטלפונים סלולריים, שיטת בדיקת הקיבולת המדורגת של הסוללה היא כדלקמן: א) טעינה: טעינה 0.2C5A; ב) פריקה: פריקה של 0.2C5A; ג) חמישה מחזורים, מתוכם אחד כשיר.

עבור תעשיית הרכב החשמלי, על פי התקן הלאומי GB / T 31486-2015 דרישות ביצועים חשמליים ושיטות בדיקה עבור סוללת חשמל עבור כלי רכב חשמליים, הקיבולת המדורגת של המצבר מתייחסת לקיבולת (Ah) המשתחררת מהסוללה בטמפרטורת החדר עם פריקת זרם 1I1 (A) כדי להגיע למתח הסיום, שבו I1 הוא זרם פריקה בקצב של שעה, שערכו שווה ל-C1 (A). שיטת הבדיקה היא:

א) בטמפרטורת החדר, הפסק את המתח הקבוע בעת טעינה עם טעינת זרם קבוע למתח סיום הטעינה שצוין על ידי הארגון, והפסק את הטעינה כאשר זרם סיום הטעינה יורד ל-0.05I1 (A), והחזק את הטעינה למשך שעה לאחר מכן. טְעִינָה.

Bb) בטמפרטורת החדר, הסוללה פורקת בזרם 1I1 (A) עד שהפריקה מגיעה למתח סיום הפריקה המצוין בתנאים הטכניים של הארגון;

ג) כושר פריקה נמדד (נמדד ב-Ah), חשב את האנרגיה הספציפית לפריקה (נמדדת ב-Wh / kg);

3 ד) חזור על שלבים א) -) ג) 5 פעמים. כאשר ההפרש הקיצוני של 3 בדיקות עוקבות הוא פחות מ-3% מהיכולת המדורגת, ניתן לסיים את הבדיקה מראש ולבצע ממוצע של תוצאות 3 הבדיקות האחרונות.

(3) מצב תשלום, SOC

SOC (State of Charge) הוא מצב טעינה, המייצג את היחס בין הקיבולת הנותרת של הסוללה למצב הטעינה המלא שלה לאחר פרק זמן או זמן רב בקצב פריקה מסוים. השיטה של ​​"מתח מעגל פתוח + זמן אינטגרציה של שעה" משתמשת בשיטת מתח במעגל פתוח כדי להעריך את קיבולת הטעינה ההתחלתית של הסוללה, ולאחר מכן משתמשת בשיטת האינטגרציה של שעה כדי להשיג את ההספק הנצרך על ידי ה-a -שיטת אינטגרציה בזמן. ההספק הנצרך הוא התוצר של זרם הפריקה וזמן הפריקה, וההספק הנותר שווה להפרש בין ההספק הראשוני להספק הנצרך. ההערכה המתמטית של SOC בין מתח מעגל פתוח לאינטגרל של שעה היא:

כאשר CN היא הקיבולת המדורגת; η היא יעילות המטען-פריקה; T היא טמפרטורת השימוש בסוללה; אני הוא זרם הסוללה; t הוא זמן פריקת הסוללה.

DOD (Depth of Discharge) הוא עומק הפריקה, מדד לדרגת הפריקה, שהיא האחוז מכושר הפריקה ליכולת הפריקה הכוללת. לעומק הפריקה יש קשר מצוין עם חיי הסוללה: ככל שעומק הפריקה עמוק יותר, החיים קצרים יותר. הקשר מחושב עבור SOC = 100% -DOD

4) אנרגיה ואנרגיה ספציפית

האנרגיה החשמלית שהסוללה יכולה להפיק על ידי ביצוע עבודה חיצונית בתנאים מסוימים נקראת האנרגיה של הסוללה, והיחידה מתבטאת בדרך כלל ב-wh. בעקומת הפריקה, האנרגיה מחושבת באופן הבא: W = U (t) * I (t) dt. בפריקת זרם קבוע, W = I * U (t) dt = It * u (u הוא מתח הפריקה הממוצע, t הוא זמן הפריקה)

א. אנרגיה תיאורטית

תהליך הפריקה של הסוללה נמצא במצב שיווי משקל, ומתח הפריקה שומר על ערך הכוח האלקטרו-מוטורי (E), ושיעור הניצול של החומר הפעיל הוא 100%. במצב זה, אנרגיית המוצא של הסוללה היא האנרגיה התיאורטית, כלומר העבודה המקסימלית שמבצעת הסוללה ההפיכה בטמפרטורה ולחץ קבועים.

ב. האנרגיה בפועל

אנרגיית המוצא בפועל של פריקת המצבר נקראת האנרגיה בפועל, תקנות תעשיית הרכב החשמלי ("GB / T 31486-2015 Power Battery Electrical Performance Requirements and Methods Test for Car Electrical Care"), המצבר בטמפרטורת החדר עם 1I1 (A ) פריקת זרם, כדי להגיע לאנרגיה (Wh) המשתחררת ממתח הסיום, הנקראת אנרגיה מדורגת.

ג. אנרגיה ספציפית

האנרגיה שניתנת על ידי סוללה ליחידת מסה וליחידת נפח נקראת אנרגיה ספציפית למסה או אנרגיה ספציפית לנפח, הנקראת גם צפיפות אנרגיה. ביחידות של wh/kg או wh/L.

[צורה בסיסית של עקומת הפריקה]

הצורה הבסיסית ביותר של עקומת הפריקה היא עקומת זמן המתח והזמן הנוכחי. באמצעות הטרנספורמציה של חישוב ציר הזמן, לעקומת הפריקה המשותפת יש גם עקומת מתח-קיבולת (קיבולת ספציפית), עקומת מתח-אנרגיה (אנרגיה ספציפית), עקומת מתח-SOC וכן הלאה.

(1) עקומת זמן מתח וזרם

איור 9 עקומות זמן מתח וזמן זרם

(2) עקומת מתח-קיבולת

איור 10 עקומת מתח-קיבולת

(3) עקומת מתח-אנרגיה

איור איור 11. עקומת מתח-אנרגיה

[תיעוד עזר]

• Wang Chao, et al. השוואה בין מאפייני טעינה ופריקה של זרם קבוע והספק קבוע בהתקני אחסון אנרגיה אלקטרוכימית [J]. אגירת אנרגיה מדע וטכנולוגיה.2017(06)：1313-1320.
• Eom KS, Joshi T, Bordes A, et al. העיצוב של סוללת Li-ion תא מלא באמצעות אנודה מורכבת של ננו סיליקון וננו רב-שכבתי גרפן[J]
• Guo Jipeng, et al. השוואה בין מאפייני בדיקת הזרם הקבוע והכוח הקבוע של סוללות ליתיום ברזל פוספט [J]. סוללת אחסון.2017(03)：109-115
• Marinaro M, Yoon D, Gabrielli G, et al. ביצועים גבוהים 1.2 Ah Si-alloy/Graphite|LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 אב טיפוס סוללת ליתיום נטענת[J].Journal of Power Sources.2017，357(מוסף ג)：188-197.