Hướng dẫn toàn diện về phân tích đường cong phóng điện của pin Lithium-Ion

Thử nghiệm hiệu suất được sử dụng phổ biến nhất của pin lithium-ion- -chiến lược phân tích đường cong phóng điện

Khi pin lithium-ion phóng điện, điện áp làm việc của nó luôn thay đổi liên tục theo thời gian. Điện áp làm việc của pin được sử dụng làm tọa độ, thời gian phóng điện hoặc công suất hoặc trạng thái sạc (SOC) hoặc độ sâu phóng điện (DOD) làm trục hoành và đường cong được vẽ được gọi là đường cong phóng điện. Để hiểu được đường cong đặc tính phóng điện của pin, trước tiên chúng ta cần hiểu về nguyên tắc điện áp của pin.

[Điện áp của pin]

Để phản ứng điện cực hình thành nên pin phải đáp ứng các điều kiện sau: quá trình mất electron trong phản ứng hóa học (tức là quá trình oxy hóa) và quá trình thu được electron (tức là quá trình phản ứng khử) phải được tách biệt ở hai khu vực khác nhau, khác với phản ứng oxi hóa khử thông thường; phản ứng oxi hóa khử của hoạt chất của hai điện cực phải được truyền qua mạch ngoài, khác với phản ứng pin vi mô trong quá trình ăn mòn kim loại. Điện áp của pin là hiệu điện thế giữa cực dương và cực âm. Các thông số chính cụ thể bao gồm điện áp mạch hở, điện áp làm việc, điện áp cắt sạc và xả, v.v.

[Tiềm năng điện cực của vật liệu pin lithium-ion]

Thế điện cực đề cập đến việc ngâm một vật liệu rắn trong dung dịch điện phân, cho thấy hiệu ứng điện, nghĩa là sự chênh lệch điện thế giữa bề mặt kim loại và dung dịch. Sự chênh lệch điện thế này được gọi là thế năng của kim loại trong dung dịch hoặc thế năng của điện cực. Nói tóm lại, thế điện cực là xu hướng ion hoặc nguyên tử thu được electron.

Do đó, đối với một vật liệu điện cực dương hoặc điện cực âm nhất định, khi đặt vào chất điện phân có muối lithium, thế điện cực của nó được biểu thị như sau:

Trong đó φ c là thế điện cực của chất này. Thế điện cực hydro tiêu chuẩn được đặt là 0.0V.

[Điện áp mạch hở của pin]

suất điện động của pin là giá trị lý thuyết được tính theo phản ứng của pin sử dụng phương pháp nhiệt động, tức là sự chênh lệch giữa thế điện cực cân bằng của pin và các điện cực dương và âm khi đứt mạch là giá trị lớn nhất rằng pin có thể cung cấp điện áp. Trên thực tế, các điện cực dương và âm không nhất thiết phải ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong chất điện phân, nghĩa là điện thế được thiết lập bởi các điện cực dương và âm của pin trong dung dịch điện phân thường không phải là điện thế cân bằng, do đó điện áp mạch hở của pin thường nhỏ hơn suất điện động của nó. Đối với phản ứng điện cực:

Xem xét trạng thái không chuẩn của thành phần chất phản ứng và hoạt tính (hoặc nồng độ) của thành phần hoạt động theo thời gian, điện áp mạch hở thực tế của tế bào được điều chỉnh theo phương trình năng lượng:

Trong đó R là hằng số khí, T là nhiệt độ phản ứng và a là hoạt độ hoặc nồng độ thành phần. Điện áp mạch hở của pin phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu điện cực dương và âm, chất điện phân và điều kiện nhiệt độ, đồng thời không phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của pin. Chuẩn bị vật liệu điện cực lithium ion vào cực và tấm kim loại lithium được lắp ráp thành nửa nút pin, có thể đo vật liệu điện cực ở trạng thái SOC khác nhau của điện áp mở, đường cong điện áp mở là phản ứng trạng thái tích điện của vật liệu điện cực, giảm điện áp mở của bộ lưu trữ pin, nhưng không lớn lắm, nếu điện áp mở giảm quá nhanh hoặc biên độ là hiện tượng bất thường. Sự thay đổi trạng thái bề mặt của các hoạt chất lưỡng cực và khả năng tự phóng điện của pin là những nguyên nhân chính làm giảm điện áp mạch hở trong bộ lưu trữ, bao gồm sự thay đổi lớp mặt nạ của bảng vật liệu điện cực dương và âm; sự thay đổi tiềm năng gây ra bởi sự mất ổn định nhiệt động của điện cực, sự hòa tan và kết tủa của tạp chất kim loại lạ và ngắn mạch vi mô gây ra bởi màng ngăn giữa các điện cực dương và âm. Khi pin lithium ion bị lão hóa, sự thay đổi giá trị K (giảm điện áp) là quá trình hình thành và ổn định của màng SEI trên bề mặt vật liệu điện cực. Nếu điện áp rơi quá lớn, bên trong có hiện tượng đoản mạch cực nhỏ và pin được đánh giá là không đủ tiêu chuẩn.

[Phân cực pin]

Khi dòng điện đi qua điện cực, hiện tượng điện cực lệch khỏi điện thế cân bằng được gọi là phân cực, và sự phân cực tạo ra quá điện thế. Theo nguyên nhân phân cực, phân cực có thể được chia thành phân cực ohm, phân cực nồng độ và phân cực điện hóa. QUẢ SUNG. 2 là đường cong phóng điện điển hình của pin và ảnh hưởng của các phân cực khác nhau đến điện áp.

 Hình 1. Đường cong phóng điện và phân cực điển hình

(1) Phân cực Ohmic: do điện trở của từng bộ phận của pin, giá trị giảm áp suất tuân theo định luật ohm, dòng điện giảm, độ phân cực giảm ngay lập tức và dòng điện biến mất ngay sau khi dừng.

(2) Phân cực điện hóa: sự phân cực là do phản ứng điện hóa chậm trên bề mặt điện cực. Nó giảm đáng kể ở mức micro giây khi dòng điện trở nên nhỏ hơn.

(3) Phân cực nồng độ: do quá trình khuếch tán ion trong dung dịch bị chậm lại nên chênh lệch nồng độ giữa bề mặt điện cực và thân dung dịch bị phân cực dưới một dòng điện nhất định. Sự phân cực này giảm đi hoặc biến mất khi dòng điện giảm ở những giây vĩ mô (vài giây đến hàng chục giây).

Điện trở trong của pin tăng khi dòng xả của pin tăng, nguyên nhân chủ yếu là do dòng xả lớn làm tăng xu hướng phân cực của pin và dòng xả càng lớn thì xu hướng phân cực càng rõ ràng, như được hiển thị trong Hình 2. Theo định luật Ohm: V=E0-IRT, khi tổng điện trở trong RT tăng thì thời gian cần thiết để điện áp ắc quy đạt đến điện áp cắt phóng điện giảm tương ứng nên công suất giải phóng cũng giảm giảm.

Hình 2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ phân cực

Pin lithium ion thực chất là một loại pin tập trung lithium ion. Quá trình sạc và xả của pin lithium ion là quá trình nhúng và tước các ion lithium vào các điện cực dương và âm. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân cực của pin lithium-ion bao gồm:

(1) Ảnh hưởng của chất điện phân: độ dẫn điện thấp của chất điện phân là nguyên nhân chính dẫn đến sự phân cực của pin lithium ion. Trong phạm vi nhiệt độ chung, độ dẫn điện của chất điện phân được sử dụng cho pin lithium-ion thường chỉ 0.01 ~ 0.1S/cm, tức là XNUMX% dung dịch nước. Vì vậy, khi pin lithium-ion phóng điện ở dòng điện cao thì đã quá muộn để bổ sung Li+ từ chất điện phân và hiện tượng phân cực sẽ xảy ra. Cải thiện độ dẫn điện của chất điện phân là yếu tố then chốt để cải thiện khả năng xả dòng điện cao của pin lithium-ion.

(2) Ảnh hưởng của vật liệu tích cực và tiêu cực: kênh dài hơn của các hạt ion lithium lớn của vật liệu tích cực và tiêu cực khuếch tán lên bề mặt, không có lợi cho tốc độ phóng điện lớn.

(3) Chất dẫn điện: hàm lượng chất dẫn điện là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất phóng điện ở tỷ lệ cao. Nếu hàm lượng chất dẫn điện trong công thức cực âm không đủ thì khi dòng điện lớn phóng điện, các electron không thể được truyền kịp thời và điện trở trong phân cực tăng nhanh, do đó điện áp pin nhanh chóng giảm xuống mức điện áp cắt phóng điện. .

(4) Ảnh hưởng của thiết kế cực: độ dày cực: trong trường hợp phóng điện lớn, tốc độ phản ứng của các hoạt chất rất nhanh, đòi hỏi ion lithium phải nhanh chóng được nhúng và tách ra trong vật liệu. Nếu tấm cực dày và đường khuếch tán ion lithium tăng lên, hướng của độ dày cực sẽ tạo ra gradient nồng độ ion lithium lớn.

Mật độ nén: mật độ nén của tấm cực lớn hơn, lỗ chân lông trở nên nhỏ hơn và đường chuyển động của ion lithium theo hướng độ dày của tấm cực dài hơn. Ngoài ra, nếu mật độ nén quá lớn, diện tích tiếp xúc giữa vật liệu và chất điện phân giảm, vị trí phản ứng điện cực giảm và điện trở trong của pin cũng sẽ tăng lên.

(5) Ảnh hưởng của màng SEI: sự hình thành màng SEI làm tăng điện trở của bề mặt điện cực/chất điện phân, dẫn đến hiện tượng trễ điện áp hoặc phân cực.

[Điện áp hoạt động của pin]

Điện áp hoạt động, còn được gọi là điện áp cuối, đề cập đến sự chênh lệch điện thế giữa cực dương và cực âm của pin khi dòng điện chạy trong mạch ở trạng thái làm việc. Ở trạng thái làm việc xả pin, khi dòng điện chạy qua pin, cần khắc phục điện trở do điện trở trong gây ra, điều này sẽ gây ra hiện tượng sụt áp ohmic và phân cực điện cực, do đó điện áp làm việc luôn thấp hơn điện áp mạch hở, và khi sạc, điện áp cuối luôn cao hơn điện áp mạch hở. Nghĩa là, kết quả của sự phân cực làm cho điện áp cuối của quá trình phóng điện của pin thấp hơn điện thế của pin, cao hơn điện thế của pin đang sạc.

Do tồn tại hiện tượng phân cực nên điện áp tức thời và điện áp thực tế trong quá trình tích điện và phóng điện. Khi sạc, điện áp tức thời cao hơn một chút so với điện áp thực tế, sự phân cực biến mất và điện áp giảm xuống khi điện áp tức thời và điện áp thực tế giảm sau khi phóng điện.

Để tóm tắt mô tả ở trên, biểu thức là:

E +, E- - lần lượt là điện thế của điện cực dương và điện cực âm, E + 0 và E- -0 lần lượt là điện thế cân bằng của điện cực dương và điện cực âm, VR đại diện cho điện áp phân cực ohm và η + , η - -đại diện cho hiệu điện thế tương ứng của các điện cực dương và âm.

[Nguyên tắc cơ bản của thử nghiệm phóng điện]

Sau khi hiểu cơ bản về điện áp pin, chúng tôi bắt đầu phân tích đường cong phóng điện của pin lithium-ion. Đường cong phóng điện về cơ bản phản ánh trạng thái của điện cực, đó là sự chồng chất của những thay đổi trạng thái của điện cực dương và âm.

Đường cong điện áp của pin lithium-ion trong suốt quá trình phóng điện có thể được chia thành ba giai đoạn

1) Trong giai đoạn đầu của pin, điện áp giảm nhanh và tốc độ phóng điện càng lớn thì điện áp giảm càng nhanh;

2) Điện áp của pin bước vào giai đoạn thay đổi chậm, được gọi là vùng nền của pin. Tốc độ xả càng nhỏ thì

Thời gian tồn tại của khu vực nền tảng càng dài, điện áp nền tảng càng cao thì điện áp rơi càng chậm.

3) Khi nguồn pin gần hết, điện áp tải pin bắt đầu giảm mạnh cho đến khi đạt đến điện áp dừng phóng điện.

Trong quá trình thử nghiệm, có hai cách để thu thập dữ liệu

(1) Thu thập dữ liệu về dòng điện, điện áp và thời gian theo khoảng thời gian đã đặt Δ t;

(2) Thu thập dữ liệu dòng điện, điện áp và thời gian theo chênh lệch thay đổi điện áp đặt Δ V. Độ chính xác của thiết bị sạc và xả chủ yếu bao gồm độ chính xác của dòng điện, độ chính xác của điện áp và độ chính xác của thời gian. Bảng 2 hiển thị các thông số thiết bị của một máy sạc và xả nhất định, trong đó % FS biểu thị tỷ lệ phần trăm của toàn dải và 0.05% RD đề cập đến sai số đo được trong phạm vi 0.05% của số đọc. Thiết bị sạc và xả thường sử dụng nguồn dòng không đổi CNC thay vì điện trở tải cho tải, do đó điện áp đầu ra của pin không liên quan gì đến điện trở nối tiếp hoặc điện trở ký sinh trong mạch mà chỉ liên quan đến điện áp E và điện trở trong r và dòng điện I của nguồn điện áp lý tưởng tương đương với ắc quy. Nếu dùng điện trở để tải thì đặt điện áp của nguồn điện áp lý tưởng của ắc quy tương đương là E, điện trở trong là r, điện trở tải là R. Đo điện áp ở hai đầu điện trở tải bằng điện áp mét, như thể hiện trong hình trên trong Hình 6. Tuy nhiên, trên thực tế, có điện trở dây dẫn và điện trở tiếp xúc của vật cố định (điện trở ký sinh đồng nhất) trong mạch. Sơ đồ mạch tương đương được thể hiện trong hình. 3 được thể hiện trên hình sau đây của Fig. 3. Trong thực tế, điện trở ký sinh chắc chắn được đưa vào, do đó tổng điện trở tải trở nên lớn, nhưng điện áp đo được là điện áp ở hai đầu của điện trở tải R nên xuất hiện sai số.

 Hình 3 Sơ đồ khối nguyên lý và sơ đồ mạch tương đương thực tế của phương pháp phóng điện trở

Khi nguồn dòng không đổi có dòng điện I1 được sử dụng làm tải, sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch tương đương thực tế được thể hiện trên Hình 7. E, I1 là các giá trị không đổi và r không đổi trong một thời gian nhất định.

Từ công thức trên, chúng ta có thể thấy rằng hai điện áp của A và B không đổi, tức là điện áp đầu ra của pin không liên quan đến độ lớn của điện trở nối tiếp trong vòng dây và tất nhiên là không liên quan gì với khả năng kháng ký sinh trùng. Ngoài ra, chế độ đo bốn cực có thể đạt được phép đo chính xác hơn về điện áp đầu ra của pin.

Hình 4 Sơ đồ khối thiết bị và sơ đồ mạch tương đương thực tế của tải nguồn dòng không đổi

Nguồn đồng thời là một thiết bị cấp nguồn có thể cung cấp dòng điện không đổi cho tải. Nó vẫn có thể giữ dòng điện đầu ra không đổi khi nguồn điện bên ngoài dao động và đặc tính trở kháng thay đổi.

[Chế độ kiểm tra phóng điện]

Thiết bị kiểm tra sạc và phóng điện thường sử dụng thiết bị bán dẫn làm phần tử dòng chảy. Bằng cách điều chỉnh tín hiệu điều khiển của thiết bị bán dẫn, nó có thể mô phỏng tải có các đặc tính khác nhau như dòng điện không đổi, áp suất không đổi và điện trở không đổi, v.v. Chế độ kiểm tra xả pin lithium-ion chủ yếu bao gồm xả dòng không đổi, xả điện trở không đổi, xả điện không đổi, v.v. Ở mỗi chế độ xả, cũng có thể chia xả liên tục và xả theo khoảng thời gian, trong đó theo độ dài thời gian, phóng điện theo khoảng thời gian có thể được chia thành phóng điện không liên tục và phóng điện xung. Trong quá trình kiểm tra phóng điện, pin sẽ xả theo chế độ đã đặt và dừng xả sau khi đạt đến điều kiện đã đặt. Các điều kiện cắt phóng điện bao gồm cắt điện áp cài đặt, cắt thời gian cài đặt, cắt công suất cài đặt, cắt gradient điện áp âm cài đặt, v.v. Sự thay đổi của điện áp xả pin có liên quan đến hệ thống phóng điện, mà là, sự thay đổi của đường cong phóng điện cũng bị ảnh hưởng bởi hệ thống phóng điện, bao gồm: dòng điện phóng điện, nhiệt độ phóng điện, điện áp kết thúc phóng điện; xả liên tục hoặc gián đoạn. Dòng phóng càng lớn thì điện áp hoạt động giảm càng nhanh; với nhiệt độ xả, đường cong xả thay đổi nhẹ nhàng.

(1) Dòng xả không đổi

Khi xả dòng không đổi, giá trị hiện tại được đặt và sau đó đạt được giá trị hiện tại bằng cách điều chỉnh nguồn dòng không đổi CNC, để nhận ra mức xả dòng không đổi của pin. Đồng thời, sự thay đổi điện áp cuối của pin được thu thập để phát hiện đặc tính phóng điện của pin. Xả dòng không đổi là xả cùng một dòng xả, nhưng điện áp pin tiếp tục giảm, do đó nguồn tiếp tục giảm. Hình 5 là đường cong điện áp và dòng điện của dòng phóng điện không đổi của pin lithium-ion. Do dòng điện phóng ra không đổi nên trục thời gian dễ dàng được chuyển đổi thành trục công suất (tích của dòng điện và thời gian). Hình 5 cho thấy đường cong điện áp-công suất khi dòng điện phóng điện không đổi. Xả dòng không đổi là phương pháp xả được sử dụng phổ biến nhất trong các thử nghiệm pin lithium-ion.

Hình 5 Đường cong sạc điện áp không đổi và dòng phóng điện không đổi ở các hệ số nhân khác nhau

(2) Xả điện liên tục

Khi phóng điện không đổi, giá trị công suất không đổi P được đặt trước và điện áp đầu ra U của pin được thu thập. Trong quá trình phóng điện yêu cầu P không đổi nhưng U thay đổi liên tục nên cần phải điều chỉnh liên tục dòng I của nguồn dòng không đổi CNC theo công thức I=P/U để đạt được mục đích phóng điện không đổi . Giữ cho công suất xả không đổi, do điện áp của ắc quy tiếp tục giảm trong quá trình phóng điện nên dòng điện trong quá trình xả điện không đổi tiếp tục tăng. Do phóng điện không đổi, trục tọa độ thời gian dễ dàng được chuyển đổi thành trục tọa độ năng lượng (tích của công suất và thời gian).

Hình 6 Đường cong sạc và xả công suất không đổi ở các tốc độ tăng gấp đôi khác nhau

So sánh giữa xả dòng không đổi và xả điện không đổi

Hình 7: (a) biểu đồ công suất sạc và xả ở các tỷ lệ khác nhau; (b) đường cong điện tích và phóng điện

 Hình 7 cho thấy kết quả của các thử nghiệm phóng điện và phóng điện có tỷ lệ khác nhau ở hai chế độ pin lithium sắt phosphate. Theo đường cong công suất trong hình. 7 (a), khi dòng điện sạc và xả ở chế độ dòng điện không đổi tăng lên, dung lượng sạc và xả thực tế của pin giảm dần nhưng phạm vi thay đổi tương đối nhỏ. Công suất sạc và xả thực tế của pin giảm dần khi tăng công suất và hệ số nhân càng lớn thì khả năng giảm dung lượng càng nhanh. Công suất xả tốc độ 1 giờ thấp hơn chế độ dòng chảy không đổi. Đồng thời, khi tốc độ sạc-xả thấp hơn tốc độ 5 giờ, dung lượng pin sẽ cao hơn trong điều kiện nguồn điện không đổi, trong khi dung lượng pin cao hơn tốc độ 5 giờ sẽ cao hơn trong điều kiện dòng điện không đổi.

Từ hình 7 (b) cho thấy đường cong công suất-điện áp, trong điều kiện tỷ lệ thấp, đường cong công suất-điện áp hai chế độ của pin lithium iron phosphate và sự thay đổi nền tảng điện áp sạc và xả không lớn, nhưng trong điều kiện tỷ lệ cao, Chế độ dòng điện không đổi-điện áp không đổi của điện áp không đổi có thời gian dài hơn đáng kể và nền tảng điện áp sạc tăng lên đáng kể, nền tảng điện áp phóng điện giảm đáng kể.

(3) Xả điện trở không đổi

Khi phóng điện trở không đổi, giá trị điện trở R không đổi được đặt trước tiên để thu điện áp đầu ra của pin U. Trong quá trình phóng điện, R bắt buộc phải không đổi, nhưng U liên tục thay đổi, do đó giá trị dòng điện I của dòng điện không đổi CNC nguồn phải được điều chỉnh liên tục theo công thức I=U/R để đạt được mục đích phóng điện trở không đổi. Điện áp của ắc quy luôn giảm trong quá trình phóng điện, điện trở không đổi nên dòng phóng điện I cũng là quá trình giảm dần.

(4) Xả liên tục, xả gián đoạn và xả xung

Pin được xả ở dòng điện không đổi, công suất không đổi và điện trở không đổi, đồng thời sử dụng chức năng hẹn giờ để thực hiện kiểm soát xả liên tục, xả gián đoạn và xả xung. Hình 11 thể hiện đường cong dòng điện và đường cong điện áp của thử nghiệm nạp/xả xung điển hình.

Hình 8. Đường cong dòng điện và đường cong điện áp cho các thử nghiệm phóng điện xung điển hình

[Thông tin bao gồm trong đường cong xả]

Đường cong phóng điện đề cập đến đường cong của điện áp, dòng điện, công suất và những thay đổi khác của pin theo thời gian trong quá trình xả. Thông tin có trong đường cong điện tích và phóng điện rất phong phú, bao gồm công suất, năng lượng, điện áp làm việc và nền điện áp, mối quan hệ giữa điện thế điện cực và trạng thái tích điện, v.v. Dữ liệu chính được ghi lại trong quá trình thử nghiệm phóng điện là thời gian sự phát triển của dòng điện và điện áp. Nhiều thông số có thể thu được từ những dữ liệu cơ bản này. Sau đây là chi tiết về các thông số có thể thu được bằng đường cong phóng điện.

(1) Điện áp

Trong thử nghiệm phóng điện của pin lithium ion, các thông số điện áp chủ yếu bao gồm nền điện áp, điện áp trung bình, điện áp trung bình, điện áp cắt, v.v. Điện áp nền là giá trị điện áp tương ứng khi điện áp thay đổi tối thiểu và công suất thay đổi lớn , có thể thu được từ giá trị cực đại của dQ / dV. Điện áp trung bình là giá trị điện áp tương ứng của một nửa dung lượng pin. Đối với các vật liệu rõ ràng hơn trên nền tảng, chẳng hạn như lithium iron phosphate và lithium titanate, điện áp trung bình là điện áp nền tảng. Điện áp trung bình là diện tích hiệu dụng của đường cong điện áp-công suất (tức là năng lượng phóng điện của pin) chia cho công thức tính công suất là u = U(t) * I(t)dt/I(t)dt. Điện áp cắt đề cập đến điện áp tối thiểu được phép khi pin xả. Nếu điện áp thấp hơn điện áp cắt phóng điện, điện áp ở hai đầu pin sẽ giảm nhanh, tạo thành hiện tượng phóng điện quá mức. Việc xả quá mức có thể làm hỏng hoạt chất của điện cực, làm mất khả năng phản ứng và rút ngắn tuổi thọ pin. Như đã mô tả ở phần đầu, điện áp của pin có liên quan đến trạng thái tích điện của vật liệu làm cực âm và điện thế điện cực.

(2) Năng lực và năng lực cụ thể

Dung lượng pin là lượng điện do pin giải phóng trong một hệ thống phóng điện nhất định (dưới dòng phóng điện I nhất định, nhiệt độ phóng điện T, điện áp cắt phóng điện V), cho biết khả năng lưu trữ năng lượng của pin trong Ah hoặc C Công suất bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như dòng phóng điện, nhiệt độ phóng điện,… Kích thước công suất được quyết định bởi lượng hoạt chất có trong các điện cực dương và âm.

Công suất lý thuyết: công suất của hoạt chất trong phản ứng.

Công suất thực tế: công suất thực tế được giải phóng theo một hệ thống xả nhất định.

Công suất định mức: đề cập đến lượng điện năng tối thiểu được đảm bảo bởi pin trong điều kiện xả được thiết kế.

Trong thử nghiệm phóng điện, công suất được tính bằng cách tích phân dòng điện theo thời gian, tức là C = I(t) dt, dòng điện không đổi trong t phóng điện không đổi, C = I(t) dt = I t; điện trở không đổi R phóng điện, C = I(t)dt = (1/R)*U(t)dt(1/R)*out (u là điện áp phóng điện trung bình, t là thời gian phóng điện).

Dung lượng cụ thể: Để so sánh các loại pin khác nhau, khái niệm dung lượng cụ thể được đưa ra. Công suất riêng là công suất được cung cấp bởi hoạt chất của khối lượng đơn vị hoặc điện cực thể tích đơn vị, được gọi là công suất riêng khối lượng hoặc công suất riêng thể tích. Phương pháp tính toán thông thường là: công suất riêng = công suất xả pin đầu tiên / (khối lượng hoạt chất * tốc độ sử dụng hoạt chất)

Các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng pin:

Một. Dòng xả của ắc quy: dòng điện càng lớn thì công suất đầu ra càng giảm;

b. Nhiệt độ xả của pin: khi nhiệt độ giảm, công suất đầu ra giảm;

c. Điện áp cắt phóng điện của pin: thời gian phóng điện do vật liệu điện cực đặt và giới hạn của phản ứng điện cực thường là 3.0V hoặc 2.75V.

d. Thời gian sạc và xả của pin: sau nhiều lần sạc và xả pin, do vật liệu điện cực bị hỏng nên pin sẽ có khả năng giảm khả năng phóng điện của pin.

đ. Các điều kiện sạc của ắc quy: tốc độ sạc, nhiệt độ, điện áp cắt đều ảnh hưởng đến dung lượng của ắc quy, từ đó quyết định khả năng phóng điện.

 Phương pháp xác định dung lượng pin:

Các ngành công nghiệp khác nhau có tiêu chuẩn kiểm tra khác nhau tùy theo điều kiện làm việc. Đối với pin lithium-ion dành cho sản phẩm 3C, theo Tiêu chuẩn quốc gia GB / T18287-2000 Thông số chung về Pin Lithium-ion cho Điện thoại di động, phương pháp kiểm tra dung lượng định mức của pin như sau: a) sạc: sạc 0.2C5A; b) phóng điện: phóng điện 0.2C5A; c) năm chu kỳ, trong đó một chu kỳ đủ tiêu chuẩn.

Đối với ngành công nghiệp xe điện, theo tiêu chuẩn quốc gia GB / T 31486-2015 Yêu cầu về hiệu suất điện và Phương pháp kiểm tra ắc quy cho xe điện, dung lượng định mức của ắc quy là dung lượng (Ah) do ắc quy giải phóng ở nhiệt độ phòng với dòng phóng 1I1(A) để đạt đến điện áp đầu cuối, trong đó I1 là dòng phóng điện định mức 1 giờ, có giá trị bằng C1(A). Phương pháp thử nghiệm là:

A) Ở nhiệt độ phòng, dừng điện áp không đổi khi sạc bằng dòng điện không đổi đến điện áp kết thúc sạc do doanh nghiệp chỉ định và dừng sạc khi dòng điện kết thúc sạc giảm xuống 0.05I1 (A) và giữ sạc trong 1 giờ sau đang sạc.

Bb) Ở nhiệt độ phòng, ắc quy được phóng điện với dòng điện 1I1(A) cho đến khi phóng điện đạt điện áp kết thúc phóng điện quy định trong điều kiện kỹ thuật của doanh nghiệp;

C) Công suất xả đo được (đo bằng Ah), tính năng lượng riêng phóng điện (đo bằng Wh/kg);

3 d) Lặp lại các bước a) -) c) 5 lần. Khi chênh lệch lớn nhất của 3 lần kiểm tra liên tiếp nhỏ hơn 3% công suất định mức, quá trình kiểm tra có thể được hoàn thành trước và kết quả của 3 lần kiểm tra cuối cùng có thể được tính trung bình.

(3) Trạng thái phí, SOC

SOC (State of Charge) là trạng thái sạc, biểu thị tỷ lệ giữa dung lượng còn lại của pin với trạng thái sạc đầy sau một khoảng thời gian hoặc một thời gian dài dưới một mức xả nhất định. Phương pháp "điện áp mạch hở + tích hợp thời gian theo giờ" sử dụng phương pháp điện áp mạch hở để ước tính dung lượng sạc ở trạng thái ban đầu của pin, sau đó sử dụng phương pháp tích hợp theo giờ để thu được công suất tiêu thụ của pin. -Phương pháp tích phân thời gian. Công suất tiêu thụ là tích của dòng phóng điện và thời gian phóng điện, công suất còn lại bằng chênh lệch giữa công suất ban đầu và công suất tiêu thụ. Ước tính toán học SOC giữa điện áp mạch hở và tích phân một giờ là:

CN là công suất định mức; η là hiệu suất nạp-phóng điện; T là nhiệt độ sử dụng pin; Tôi là dòng điện của pin; t là thời gian xả pin.

DOD (Độ sâu xả) là độ sâu xả, thước đo mức độ xả, là tỷ lệ phần trăm của công suất xả trên tổng công suất xả. Độ sâu xả có mối quan hệ rất lớn với tuổi thọ của ắc quy: độ sâu xả càng sâu thì tuổi thọ càng ngắn. Mối quan hệ được tính cho SOC = 100% -DOD

4) Năng lượng và năng lượng riêng

Năng lượng điện mà pin có thể tạo ra bằng cách thực hiện công bên ngoài trong những điều kiện nhất định được gọi là năng lượng của pin và đơn vị thường được biểu thị bằng wh. Trong đường cong phóng điện, năng lượng được tính như sau: W = U(t) * I(t) dt. Khi dòng phóng điện không đổi, W = I * U (t) dt = It * u (u là điện áp phóng điện trung bình, t là thời gian phóng điện)

Một. Năng lượng lý thuyết

Quá trình phóng điện của pin ở trạng thái cân bằng, điện áp phóng điện duy trì giá trị suất điện động (E) và hiệu suất sử dụng hoạt chất là 100%. Trong điều kiện này, năng lượng đầu ra của pin là năng lượng lý thuyết, tức là công tối đa được thực hiện bởi pin đảo chiều dưới nhiệt độ và áp suất không đổi.

b. Năng lượng thực tế

Năng lượng đầu ra thực tế của quá trình xả pin được gọi là năng lượng thực tế, theo quy định của ngành xe điện ("GB / T 31486-2015 Yêu cầu về hiệu suất điện của pin và phương pháp thử nghiệm đối với xe điện"), pin ở nhiệt độ phòng có 1I1 (A ) phóng dòng điện, để đạt tới năng lượng (Wh) được giải phóng bởi điện áp đầu cuối, gọi là năng lượng định mức.

c. năng lượng riêng

Năng lượng do pin cung cấp trên một đơn vị khối lượng và trên một đơn vị thể tích được gọi là năng lượng riêng theo khối lượng hoặc năng lượng riêng theo thể tích, còn được gọi là mật độ năng lượng. Theo đơn vị wh/kg hoặc wh/L.

[Dạng cơ bản của đường cong phóng điện]

Dạng cơ bản nhất của đường cong phóng điện là đường cong điện áp-thời gian và dòng điện theo thời gian. Thông qua việc chuyển đổi phép tính trục thời gian, đường cong phóng điện chung cũng có đường cong điện áp-công suất (công suất riêng), đường cong điện áp-năng lượng (năng lượng riêng), đường cong điện áp-SOC, v.v.

(1) Đường cong điện áp-thời gian và dòng điện

Hình 9 Đường cong điện áp-thời gian và dòng điện-thời gian

(2) Đường cong điện áp-công suất

Hình 10 Đường cong điện áp-công suất

(3) Đường cong điện áp-năng lượng

Hình 11. Đường cong điện áp-năng lượng

[tài liệu tham khảo]

• Vương Siêu và cộng sự. So sánh đặc tính tích điện và phóng điện của dòng điện không đổi và công suất không đổi trong các thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa [J]. Khoa học và công nghệ lưu trữ năng lượng.2017(06)：1313-1320.
• Eom KS,Joshi T,Bordes A,et al.Thiết kế pin Li-ion toàn cell sử dụng cực dương tổng hợp nano silicon và nano graphene nhiều lớp[J]
• Guo Jipeng và cộng sự. So sánh các đặc tính kiểm tra dòng điện không đổi và công suất không đổi của pin lithium sắt photphat [J].pin lưu trữ.2017(03)：109-115
• Marinaro M,Yoon D,Gabrielli G,et al.Hiệu suất cao 1.2 Ah Si-hợp kim/Graphite|Nguyên mẫu LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 Pin Li-ion[J].Tạp chí Nguồn điện.2017(Bổ sung C):357-188.