Prodloužení životnosti lithium-iontových baterií na základě analýzy degradačních procesů grafitové anody při cyklování

Abstract

Bakalářská práce zkoumá stanovení optimálních hranic nabití lithiových článků s grafitovou zápornou elektrodou (anodou) na základě rešerše dějů probíhajících během nabíjení a vybíjení uvnitř článku. Z rešeršní části se jeví jako nejvýraznější degradační mechanismus růst vrstvy SEI. Tato vrstva vzniká ve větší míře při praskání částic grafitové elektrody, přičemž k praskání dochází více během cyklování při nízkém zaplnění lithiem této elektrody. Stavy zaplnění grafitové elektrody lithiem se dělí do několika stupňů, které jsou jednoduše identifikovatelné z derivace napětí změřeného velmi nízkým proudem podle dodaného náboje. Byla navržena strategie cyklování pro prodloužení životnosti článků s nastavením spodních dorazů stavu nabití podle měřením zjištěných stupňů zaplnění lithiem. Strategie byla následně experimentálně vyzkoušena na článcích LG INR 18650 MJ1. Výsledky naznačují možnost takto nastavit hranice stavu nabití pro hloubky vybití kolem 30 % a tím optimalizovat životnost. Pro větší hloubky vybití navržená strategie nefunguje a pro menší nebyla testována. V práci se také zkoumá kvantifikace degradačních módů – ztráta aktivního materiálu, ztráta lithiového inventáře a ztráta vodivosti. Tato kvantifikace je orientačně možná měřením derivace napětí nebo derivace dodaného náboje v průběhu stárnutí článků.

The bachelor's thesis examines the determination of optimal charge limits for lithium cells with graphite negative electrode (anode) based on the research of processes occurring during charging and discharging inside the cell. From the research part, the growth of the SEI layer appears to be the most significant degradation mechanism. This layer is formed to a greater extent during the cracking of graphite electrode particles, which occurs more frequently during cycling at low lithium filling of this electrode. The states of lithium filling in the graphite electrode are divided into several stages, which can be easily identified from the derivative of voltage measured at a very low current with respect to supplied charge. A cycling strategy with setting the lower limits of state of charge based on the identified levels of lithium filling was proposed and subsequently experimentally tested on LG INR 18650 MJ1 cells. The results indicate the possibility of setting state of charge limits for depths of discharge of around 30 % by using the proposed strategy to optimize lifetime. However, the proposed strategy does not work for larger depths of discharge. The thesis also investigates the quantification of degradation modes, including loss of active material, loss of lithium inventory, and conductivity loss. This quantification can be approximately achieved by measuring the voltage derivative or charge derivative during the aging of cells.