Исследование зависимости между изменением температуры и ее влиянием на электрохимическую емкость литий-ионного аккумулятора NMC-811 –типа

XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель
  • Главная
  • Список секций
  • Химия
  • Исследование зависимости между изменением температуры и ее влиянием на электрохимическую емкость литий-ионного аккумулятора NMC-811 –типа

Исследование зависимости между изменением температуры и ее влиянием на электрохимическую емкость литий-ионного аккумулятора NMC-811 –типа

Андреев А.Д. 1
1МБОУ СОШ №2, г. Ступино
Москалева А.И. 1Колесников А.В. 2
1МБОУ СОШ №2, г. Ступино
2РХТУ им. Менделеева
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

История литиевых аккумуляторов началась еще в 1970-х годах, когда Мишель Арманд и Джон Гуденгофф из Bell Laboratories разработали первый литиевый аккумулятор. Однако, до 1990-х годов он не был широко применяемым из-за проблем с безопасностью.

С развитием технологий, таких как полимерные электролиты и более продвинутые системы управления зарядом и разрядом, литиевые аккумуляторы стали более безопасными и надежными.

В настоящее время литиевые аккумуляторы продолжают развиваться, и научные исследования направлены на улучшение их характеристик и уменьшение стоимости производства. [1]

В последние годы наблюдается рост рынка литий-ионных аккумуляторов от спроса до предложения. Из-за увлечения областей применения данной технологии от бытовых приборов до электромобильной промышленности. К 2029 году ожидается рост рынка в два раза по сравнению с 2024 годом.

Такие аккумуляторы используются повсеместно благодаря высокой электроемкости, малому весу и отсутствию «эффекта памяти». Они применяются в смартфонах, ноутбуках, планшетах, электромобилях, электроинструментах, в медицинском оборудовании, в системе бесперебойного питания и автономного освещения [2].

На данный момент стоит вопрос о том, чтобы в России производить и использовать в работе приборов отечественные литий-ионные аккумуляторы, а не импортные. В России одним из заводов изготовителей литий-ионных аккумуляторов, является компания ООО “Глобал СО”. Компания сделала заказ в РХТУ им. Менделеева на исследование электрохимической ёмкости аккумулятора с никель-марганец-кобальт-оксидным катодом (NMC-811) при разных температурах. Россия-большая страна, в ее центральной части температурные погодные условия могут колебаться от +30оС до -30оС. Необходимо провести исследование литий-ионных аккумуляторов при нагревании и охлаждении, чтобы убедиться в их исправной работе при разных погодных условиях в городах России.

Гипотеза: литий-ионные аккумуляторы не проявляют изменение электрохимической емкости при нагреве до +30 оС и охлаждении до -30 оС.

Объект исследования: литий-ионный аккумулятор.

Предмет исследования: электрохимическая ёмкость аккумулятора.

Целью данной работы является установление зависимости между изменением температуры и ее влиянием на электрохимическую ёмкость аккумулятора NMC-811 –типа.

Задачи:

  1. Изучить состав и принцип работы литий-ионного аккумулятора

  2. Провести исследование электрохимической ёмкости при нагревании +30оС

  3. Провести исследования электрохимической ёмкости при охлаждении до -30оС

  4. Проанализировать полученные данные и установить зависимость электрохимической ёмкости литий-ионного аккумулятора при низких и высоких температурах.

Литературный обзор

Первый в мире аккумулятор изобрёл итальянский физик Алессандр Вольт в 1800 году. Аккумулятор представлял из себя столб, в котором поочерёдно были выложены медные и цинковые пластины, разделённые картонными прокладками, смазанные солёной водой – это изобретение назвали Вольтов столб. В Вольтовом столбе из-за химической реакции между цинковыми и медными пластинами создавался постоянный ток. В то время это было революционным прорывом в области электротехники [3].

На данный момент прогресс ушёл далеко вперёд и в нынешние дни используются литий-ионные аккумуляторы.

Первые коммерческие литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы были выпущены компанией Sony в 1991 году, совершив революцию в портативной электронике. Разработка, основанная на работах Дж. Гуденафа и А. Ёсино, использовала катод из кобальтата лития и анод из нефтяного кокса, что обеспечило высокую энергоемкость и безопасность по сравнению с ранними прототипами на металлическом литии. 

Первые серийные литий-ионные ячейки в России начали производить только в 2021 году на базе АО «Энергия» в Ельце.

Компания ООО «Глобал СО» — один из специализированных российских производителей, который использует углеродные нанотрубки для улучшения характеристик анодов литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Компания входит в число нишевых игроков и поставщиков компонентов для ЛИА, участвуя в разработке пилотных анодных материалов. Активно работает над совершенствованием состава электродов [9].

Литий-ионные аккумуляторы применяются во всех сферах жизни человека. Например: в телефонах, в ноутбуках, в технике горнодобывающей промышленности, в металлургии, в современных электромобилях [4]. Особенно активно исследуются аккумуляторы для электромобилей. На графике (1) показаны прогнозы прироста электромобилей на дорогах Российской Федерации (график 1).

Но постоянное использование литий-ионных аккумуляторов ведёт к большому количеству отработанных аккумуляторов, которые будут загрязнять окружающую среду по прогнозам к 2038 году отработанных аккумуляторов будет около 48,9 тыс. т. (таблица 1)

Но как бы это опасно не звучало на данный момент ведутся исследования по безопасной переработке аккумуляторов, что может позволить продолжать пользоваться ими.

Литий-ионный аккумулятор состоит из катода, анода, электролита, растворителя. Катод принадлежит к NMC-811, которому подходит формула Li(NI, Mn,Co). Анод состоит на 93% из графита. Электролит представляет собой LiPF6 (гексафторфосфат лития). Растворитель в данном аккумуляторе является этилен карбонат(EM) и диметилкарбонат (DMC) в соотношении 1:1.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора.

В разряженном состоянии Li находится в составе катода, при заряде аккумулятора литий деинтеркалируется из катода и сольватируется электролитом, после чего литий интеркалируется в анод. [5]

Электроны лития перемещаются по внешней цепи от катода к аноду.

При разряде аккумулятора, из-за накопленной химической энергии, в аноде Li проходит обратный путь, преобразуя химическую энергию в электрическую (рисунок 1) [6]

Для проведения работ с аккумулятором нужно провести длительное литирование в его рабочем диапозоне напряжения. Это делается для стабильного процесса зарядки и разрядки аккумулятора. Для этого аккумулятор подключают к потенциостату по двухэлектродной схеме, в данном случае к модели P-20X (рис.2)[7] После аккумулятор зажимают под плитой для более равномерного распределения электролита по всей емкости и под действием тока в 4,8 мА в гальваностатическом режиме доводят напряжение в аккумулятор до 4,2В, данный процесс продолжается в течении 40 часов, далее проводят его разрядку уже при токе -15мА в гальваностатическом режиме уже до 3,0В.

Для нагревава аккумулятора использовался циркуляционный термостат LOIP-LT200 от компании LabTech (рисунок 3). Нагрев длился в течении 2 часов при температуре 30 градусов. Чтобы аккумулятор не повредился во время нагрева его помещают в плёнку и вакуумируют с помощью вакууматора S-FKL1 от компании TINTON LIFE. Для охлаждения аккумулятора использовался низкотемпературная морозильная камера LTF-225 от компании “ARCTIKO”. (рисунок 4)

Для построения графиков, чтобы измерить ёмкость аккумулятора, использовалась программа Элинс [8]

Для вычисления ёмкости аккумулятора использовалась программа Origin2024, которая с помощью графиков интегрировала их ёмкость.

Практическая часть

Ход раоты :

  1. Подготовка аккуумулятора- Длительное литирование в его рабочем диапозоне напряжения.

  2. Измерение емкости при обчных условиях (комнатная температура)

  3. Нагрев и измерение ёмкости

  4. Охлаждение и измерение ёмкости

  5. Обработка полученных данных

1 . Литирование

Первый замер будет проводиться при нормальнх условиях для определения ёмкости в обычных условиях. Проводим длятельное литирование с помощью потециаластата PX-20.

2. Измерение емкости при обычных условиях. С помощью потециаластата PX-20 и программы «Элинс» выполняем сканирование при скоростях 5мВ/с, 20мВ/с, 100мВ/с, 1000мВ/с и получаем циклическую вольтамперомерию (ЦВА), для эксперимента берём только 5 циклов. После получения ЦВА переносим их в программу Origin2024 и интегрируем их для получения ёмкости аккумулятора (график 2). Чтобы получить ёмкость аккумултора используем формулу(1.1)

 

Просмотров работы: 7