О термодинамическом веб-калькуляторе — ESS

Оценка количества тепла, которое может быть выделено, требуется для оценки потенциальной серьезности теплового разгона в литий-ионных батареях. Здесь мы используем термодинамические свойства используемых материалов, чтобы обеспечить теплоту реакции для ограничения потенциального тепловыделения и для использования в тепловых моделях разгона для прогнозирования последствий сценариев неправильного использования.

Фон

С начала 1990-х годов до момента разработки этого калькулятора в начале 2020-х годов в большинстве коммерческих литий-ионных аккумуляторов использовался графитовый отрицательный электрод (анод) с многослойным положительным электродом из оксида металла (катод) и органический электролит, состоящий из смешанный карбонатный растворитель и соль (обычно LiPF ₆ ). Наибольший вклад в тепловое выделение тепла внутри клеток вносят реакции этих электродных материалов с органическими растворителями. Количество химического тепла, которое может быть высвобождено в результате этих термических неуправляемых реакций, увеличивается с уровнем заряда (SOC), поскольку выделение тепла пропорционально количеству реактивных электродных материалов, а именно литированного графита в аноде (LiC

6 ) и делитированного слоистый оксид металла в катоде (MO ₂ ).

Подробные модели теплового разгона показывают, что быстрое выделение тепла от катода в присутствии органических электролитов является основным фактором теплового разгона, но выделение тепла от литированного анода, реагирующего с электролитом, также необходимо учитывать для точного прогнозирования максимальной температуры ячейке, что требуется для разумных прогнозов каскадного отказа ячейки к ячейке в больших системах батарей. Когда литированный графит реагирует с жидким этиленкарбонатом (ЭК) из электролита с образованием твердого покрытия и газов, экзотермическая теплота реакции, предсказанная термодинамикой, составляет -281,4 кДж/моль лития в графите.

1  Однако теплота реакции, связанная со слоистыми катодами из оксида металла, представляет собой более сложный многостадийный процесс, связанный с более широким разнообразием материалов.

Цель

Этот онлайн-калькулятор оценивает теплоту реакции, связанную с тепловым потоком слоистых оксидно-металлических катодных материалов, на основе лежащей в основе термодинамики для определенных составов металлов, степеней делитирования и сосуществующих органических материалов (например, растворителя электролита).  В данном калькуляторе реализованы методы, описанные в недавнем обзоре ²  для катодов вида Li _x МО ₂ , где x – степень литирования, (1-x) – степень делитирования, определяющая количество реакционноспособный материал, а М представляет собой металл или смесь металлов в слоистом оксиде металла. Другая недавняя статья продемонстрировала, как эти термодинамические расчеты в целом согласуются с широким спектром литературных калориметрических данных.

3

Возможности

Этот калькулятор прогнозирует общую и ступенчатую теплоту реакции для катодных материалов, где пользователь указывает интересующий органический растворитель, степень литирования x и состав металла M как некоторую смесь Ni, Co, Mn и/или Ал. Этилметилкарбонат (ЭМС) является растворителем по умолчанию, представляющим типичные смеси растворителей электролита. ² Пошаговая версия этих расчетов предполагает начальный переход в твердую фазу без изменения массы, за которым следуют дополнительные фазовые превращения с выделением кислорода, который может реагировать с растворителями электролита или другими органическими веществами с выделением дополнительного тепла.

^2,3  Для удобства результаты этого термодинамического калькулятора представлены в обобщенной форме, за которой следует необязательная подробная форма, включающая несколько типов единиц (основная масса и моли) с окислением электролита или без него. В данном калькуляторе не учитываются эффекты внешнего по отношению к ячейке тепловыделения при тепловом разгоне, обусловленном пламенными реакциями выходящего электролита и газообразных продуктов разложения с кислородом воздуха. Необязательный ввод массы катода позволяет оценить максимальное тепловыделение полной ячейки при разложении катода и анода с электролитом.

Благодарности

Мы выражаем благодарность Сэмюэлю Робертс-Баке за помощь в реализации этих расчетов в виде веб-инструмента.

Sandia National Laboratories — это многофункциональная лаборатория, управляемая компанией National Technology and Engineering Solutions of Sandia, LLC., дочерней компанией Honeywell International, Inc., принадлежащей Национальному управлению ядерной безопасности Министерства энергетики США по контракту DE.

-НА-0003525. Этот веб-сайт описывает объективные технические результаты и анализ. Любые субъективные взгляды или мнения, которые могут быть выражены на веб-сайте, не обязательно отражают точку зрения Министерства энергетики США или правительства США.

Использованная литература:

1. Шурц, Р. К., Дж. Д. Энгерер и Дж. К. Хьюсон (2018). «Прогнозирование высокотемпературного разложения литированного графита: I. Обзор явлений и комплексная модель». Журнал Электрохимического общества   165 (16): A3878-A3890.
2. Шурц, Р. К. и Дж. К. Хьюсон (2020). «Материаловедческие прогнозы теплового разгона в слоистых металлооксидных катодах: обзор термодинамики». Журнал Электрохимического общества
     167 (9): 090543.
3. Шурц, Р. К. (2020). «Термодинамическая переоценка катодной калориметрии литий-ионных аккумуляторов» Journal of the Electrochemical Society 167 (14): 140544.

История выпусков

1. Название: «Термодинамический расчет тепла реакции для катодов из слоистого оксида металла в органических электролитах» (сентябрь 2020 г. ). Опубликована электронная таблица Excel для расчета тепловыделения неуправляемого тепловыделения для катодных материалов. Подходит для расчетов, подобных тем, которые использовались в Ref. 3 для сравнения с калориметрическими измерениями.
2. Название: «Термодинамический веб-калькулятор литий-ионных аккумуляторов» (февраль 2021 г.). Первый выпуск веб-калькулятора. Выходные данные аналогичны электронной таблице. Включает возможность сообщать о выделении тепла для полной ячейки (катод + анод), когда подается катодная масса.

Возможные будущие улучшения:

• Включить дополнительные реакции разложения для электродов
• Разрешить пользователю указывать ампер-часы в качестве альтернативы степени литирования
• Включить кривые, которые будут преобразовывать напряжение в степень литирования в обоих электродах
• Оценить максимальное повышение температуры, ожидаемое для полной ячейки в тепловом разгоне, когда пользователь подает необходимые составы
• Включить возможность создания графиков на веб-сайте
• Включая дополнительные металлические элементы для слоистых оксидов металлов
• Включая термодинамическое выделение тепла при разложении катодов, отличных от слоистых оксидов металлов (например, оксид лития-марганца, фосфат лития-железа и т.
  д.)
• Включить термодинамическое тепловыделение при разложении анодов, отличных от литированного графита
• Включить оценочные кинетические параметры разложения электродных материалов

© 2021, Sandia National Laboratories SAND2021-1909 W

Аккумуляторная батарея C Rating Объяснение и расчет

Что такое аккумуляторная батарея C Rating?

Рейтинг батареи C может быть определен как мера, при которой батарея разряжается относительно максимальной емкости батарей.

Скорость заряда и разряда батареи определяется номиналом С батареи. Другими словами, это основная мера того, каким током заряжаются или разряжаются предполагаемые батареи и как быстро это происходит.

Емкость батареи обычно оценивается и маркируется как 3C (ток 3C). Это означает, что полностью заряженная батарея емкостью 100 Ач должна обеспечивать ток 3*100 А в течение одной трети часа. разряженный при токе C 1°C обеспечит ток 100 ампер в течение одного часа, а при разряде при токе 0,5°C он обеспечит ток 50 ампер в течение 2 часов.

Значение C очень важно знать, так как в большинстве аккумуляторов доступная накопленная энергия зависит от скорости тока заряда и разряда.

Почему рейтинг C отличается для разных аккумуляторов?

1C означает время разряда 1 час.

2C означает время разрядки 1/2 часа.

0,5C означает время разряда 2 часа.

Во многих приложениях очень важен уровень заряда батареи. Например, мы хотим, чтобы автомобиль был полностью заряжен в течение получаса, а не ждал 2 часа или даже 8 часов. Что влияет на рейтинг батареи C?

Есть два ограничения на скорость зарядки аккумулятора: – термический нагрев, и – ограничения массообмена.

Тепловой нагрев происходит из-за того, что внутреннее сопротивление батареи генерирует избыточное тепло, которое необходимо отводить в окружающую среду.

Когда зарядка происходит при очень высоких токах, тепло, выделяемое в аккумуляторе, не может быть отведено достаточно быстро, и температура быстро повышается.

Массоперенос ионов Li+ во время быстрой зарядки приводит к току, ограничивающему диффузию, даже если электроды изготовлены из наночастиц с большой площадью поверхности. В то время как большая площадь поверхности обеспечивает достаточную скорость литирования или делитирования, диффузия Li+ через площадь поперечного сечения электролита внутри сепаратора ограничена. Вполне возможна быстрая зарядка в течение ограниченного времени, ограниченного ионами лития, уже присутствующими в электролите внутри электрода. Эта нестационарная диффузия может продолжаться до тех пор, пока ионы Li+ не будут исчерпаны, а их запас ограничен площадью поперечного сечения батареи.

Это ограничение массопереноса возникает из-за того, что число переноса Li+ меньше 1. Хотя ионы Li+ переносят часть тока в электролите, они переносят 100% тока на электроде; таким образом, вблизи анода происходит истощение Li +, что приводит к току, ограничивающему диффузию. Любая попытка превысить предельный ток приводит к разложению растворителя, нагреву и порче аккумулятора.

Таким образом, аккумуляторы из разных материалов будут иметь разную скорость, типичный рейтинг C литиевой батареи NCM составляет 1C, а максимальная скорость C может достигать 10C для батареи 18650. типичный рейтинг литиевой батареи LiFePO4 C составляет 1C, а максимальная скорость C может достигать 3C для призматической батареи LiFePO4.

Таблица рейтинга аккумуляторов C

В приведенной ниже таблице показаны различные рейтинги аккумуляторов C и время их разрядки.

Battery C Rating Chart

Для большинства литиевых батарей здесь приведено изображение, показывающее кривую разряда при различных скоростях C.

Кривая разряда батареи при различном рейтинге C

Для большинства свинцово-кислотных аккумуляторов мы должны знать, что даже для одной и той же батареи емкость батареи при разном рейтинге C различна. Чтобы получить достаточно хорошие показания емкости, производители свинцово-кислотных аккумуляторов обычно оценивают свинцово-кислотные аккумуляторы как 20 часов (очень низкий показатель 0,05°C). Ниже приведена разрядная емкость аккумулятора Trojan 12V135Ah при разных показателях.

Емкость свинцово-кислотного аккумулятора в различных батареях Рейтинг C

Как рассчитать рейтинг C для аккумулятора?

Рейтинг C аккумулятора определяется временем зарядки и разрядки.

C-рейтинг является важной информацией или данными для любой батареи. Если перезаряжаемая батарея может быть разряжена при таком рейтинге C, батарея емкостью 100 Ач обеспечивает около 100 А, тогда скорость разряда батареи составляет 1С. Если батарея может обеспечить только максимальный ток разряда около 50А, то скорость разрядки батареи составляет 50А/100Ач=0,5С.

C-рейтинг (C) = ток заряда или разряда в амперах (А) / номинальная емкость батареи (Ач) мощность и энергия по:

Cr = I/Er

Er = номинальная запасенная энергия в Ач

I = ток заряда/разряда в А

Cr = коэффициент C батареи

t = продолжительность заряда/разряда

Расчет времени заряда и разряда

t = Er / I

100 Ач литиевая батарея C Пример скорости

Для той же литиевой батареи 100 Ач

1C означает доступный ток разряда 100 Ач*1C=100A.

1C означает 100 Ач/100 А = 1 час времени разряда Способен.

Это означает, что аккумулятор можно использовать в течение 60 минут (1 час) при токе нагрузки 100 А .

2C означает доступный ток разряда 100Ah*2C=200A.

2C означает 200 Ач/100 А = 0,5 часа времени разряда Способен.

Это означает, что аккумулятор можно использовать в течение 30 минут (0,5 часа) при токе нагрузки 200 А .

0,5C означает доступный ток разряда 100Ah*0,5C=50A.

0,5°С означает 100 Ач/50 А = 2 часа времени разряда Способен.

Это означает, что аккумулятор можно использовать в течение 120 минут (2 часа) при токе нагрузки 50 А .

Иногда показания производительности анализатора приводятся в процентах от номинального значения. Например, если батарея емкостью 1000 мАч может обеспечивать этот ток в течение примерно 60 минут, прочтите 100%. Однако, если батарея работает всего за полчаса до точки отсечки, отображаемое значение равно 50%. Иногда новый аккумулятор может обеспечить более 100% емкости. Аккумулятор можно разряжать с помощью анализатора, который позволяет установить ваш любимый показатель C. Если аккумулятор разряжается с более низкой скоростью разряда, показания будут выше, и наоборот. Тем не менее, вы должны знать о различиях в показаниях емкости анализатора батареи для разных показателей C, которые связаны с внутренним сопротивлением батареи.

Как влияет рейтинг C на литий-ионные аккумуляторы?

После того, как мы подсчитали выше, мы знаем, что чем выше рейтинг C на батарее, тем быстрее энергия уходит из батарей для питания приложения. Рейтинг C для любой батареи зависит от ее применения. Поскольку некоторая электроника требует большого количества энергии, поэтому требуются батареи с высоким рейтингом C. Например, стартер мотоцикла, вам нужно всего несколько секунд, чтобы быстро привести двигатели в действие. Но для некоторых приложений время разряда требует только низкого рейтинга C, такого как солнечный свет, вы хотите, чтобы они работали всю ночь или несколько ночей.

Какой класс C у моей батареи?

C-rate батареи обычно указан на этикетке батареи и в паспорте батареи. Различные химические составы аккумуляторов иногда показывают разные значения C для аккумуляторов.

Вообще говоря,

Литий-железо-фосфатные батареи обычно имеют скорость разряда 1C

Батареи NCM обычно имеют скорость разряда 3C

Свинцово-кислотные батареи обычно рассчитаны на очень низкую скорость разряда, обычно 0,05C, или 20 часовая ставка.

Если вы не можете найти рейтинг батареи C на этикетке или в техническом описании, мы рекомендуем обратиться непосредственно к производителю батареи.

В заключение

C-rate — это единица, используемая для определения значения тока/времени разрядки литий-ионной батареи при различных условиях. Поскольку у вас было четкое представление о том, что такое рейтинг C и что он означает в аккумуляторе, вам нужно будет включить его в свой следующий выбор аккумуляторов, чтобы получить максимальную отдачу от того, на что вы соглашаетесь.