RU2808661C1 - Method for predicting specific capacity of graphite anodic material of lithium-ion battery - Google Patents

Method for predicting specific capacity of graphite anodic material of lithium-ion battery Download PDF

Info

Publication number
RU2808661C1
RU2808661C1 RU2023121839A RU2023121839A RU2808661C1 RU 2808661 C1 RU2808661 C1 RU 2808661C1 RU 2023121839 A RU2023121839 A RU 2023121839A RU 2023121839 A RU2023121839 A RU 2023121839A RU 2808661 C1 RU2808661 C1 RU 2808661C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
samples
potential
electrochemical cell
electrochemical
electricity
Prior art date
Application number
RU2023121839A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Витальевич Сериков
Анастасия Семенкова
Анастасия Алексеевна Филиппова
Original Assignee
Акционерное общество "Энергия" (АО "Энергия")
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Энергия" (АО "Энергия") filed Critical Акционерное общество "Энергия" (АО "Энергия")
Application granted granted Critical
Publication of RU2808661C1 publication Critical patent/RU2808661C1/en

Links

Abstract

FIELD: electrochemical energy.
SUBSTANCE: invention can be used in the field of material control in the production of lithium-ion batteries. A method for predicting the specific capacity of a graphite anode material of a lithium-ion battery includes preparing and carrying out physical and chemical testing of samples, taking measurements on the surface of the samples with placing a pressing electrochemical cell with an acidic electrolyte on their surface, supplying an input signal and receiving a measured signal, assembling an electrochemical cell with obtaining cyclic voltammetric dependences and hodographs of electrochemical impedance, processing the obtained data based on a system of linear regression equations constructed from training samples of samples with known values of the predicted parameters. Physicochemical control is carried out, which consists of measuring the pH of the aqueous extract of powdered graphite anode material. Electrodes are used as samples, which are prepared by preparing a mixture of powdered graphite anode material with a binder, applying it to the electrode collectors, drying and rolling the electrodes. Measurements are carried out on the surface of the resulting electrodes in a pressure electrochemical cell, in which a stepwise changing potential with a step duration of 20-180 s and a step value of 15-20 mV is used as an input signal, and the dependence of the amounts of electricity on the step potentials is used as the measured signal. Two electrochemical cells are prepared in the form of disk elements of type 2016, each of which contains a lithium electrode, a separator, electrode samples, an electrolyte. An electrochemical impedance hodograph is obtained in one electrochemical cell, and in the other, cyclic voltammetric dependences are obtained in the potential range: 5-1500 mV at potential scan rates of 4-100 mV/s. Processing the obtained data based on a system of linear regression equations includes finding the total amount of electricity depending on the amount of electricity on the potential in the potential region minus 700 - 0 mV, finding the angular coefficient of the dependence of the maximum current density on the square root of the potential sweep rate, determining the parameters Rs and CPE-T of the equivalent circuit of the Rs-CPE electrochemical cell in the frequency range 0.1-100 Hz, determining whether the data belongs to one of four clusters on the pH-amount of electricity plane in the potential range minus 700 - 0 mV, the boundaries of which are determined based on the results of data clustering for samples with known specific capacitance values, selecting a multiple regression design equation to calculate the predicted capacitance, each of which is based on data from samples for which the specific capacitance is known.
EFFECT: reducing the time to obtain the capacity prediction result.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электрохимической энергетике и может быть использовано в области контроля материалов в производстве литий-ионных аккумуляторов.The invention relates to electrochemical energy and can be used in the field of materials control in the production of lithium-ion batteries.

Известен способ прогнозирования емкости электродного материала, основанный на применении обобщенного уравнения Пейкерта (И.Ю. Богуш, Н.К. Плуготаренко, Т.Н. Мясоедова Исследование функциональных характеристик мезопористых электродов суперконденсаторов на основе кремний-углеродных пленок // Журнал технической физики, 2022, том 92, вып. 12, С. 1833-1843). Способ основан на определении константы уравнения Пейкерта для данного типа электродного материала на основании экспериментальных емкостей при нескольких плотностях разрядного тока, после чего прогнозируемая емкость при любой плотности тока может быть рассчитана из этого уравнения.There is a known method for predicting the capacity of electrode material, based on the use of the generalized Peukert equation (I.Yu. Bogush, N.K. Plugotarenko, T.N. Myasoedova Study of the functional characteristics of mesoporous electrodes of supercapacitors based on silicon-carbon films // Journal of Technical Physics, 2022 , volume 92, issue 12, pp. 1833-1843). The method is based on determining the Peukert equation constant for a given type of electrode material based on experimental capacitances at several discharge current densities, after which the predicted capacitance at any current density can be calculated from this equation.

Недостатком данного решения является его ограниченный характер, связанный с прогнозированием только в зависимости от плотности разрядного тока, а также большой объем испытаний, необходимый для нахождения константы уравнения Пейкерта.The disadvantage of this solution is its limited nature, associated with prediction only depending on the discharge current density, as well as the large amount of testing required to find the constant of the Peukert equation.

Наиболее близким к заявляемому является способ прогнозирования требуемой характеристики, изложенный в патенте RU2653775. Описываемый в патенте способ прогнозирования относится к скорости коррозии (у нас - прогнозируемый параметр) и заключается в подготовке поверхностей (у нас - подготовка образцов), визуально-измерительном, дефектоскопическом, акустико-эмиссионном и других методах неразрушающего контроля, определении параметров фактического технического состояния трубопровода, определении показателя коррозии, конфигурации и размеров имеющихся дефектов, отличающийся тем, что по результатам визуально-измерительного, дефектоскопического, акустико-эмиссионного и других методов неразрушающего контроля (у нас - физико-химического контроля), выполняют контрольные вырезки, в качестве подготовки поверхности используют разделение контрольной вырезки на образцы, на каждом из полученных образцов контрольной вырезки устанавливают прижимную электрохимическую ячейку с кислым электролитом, пропускают ступенчато меняющийся ток (у нас - входной сигнал), включающий 30 импульсов с равномерно возрастающей амплитудой на 0,004 мА на каждом импульсе, длительность импульса 2000-2500 мс, длительности паузы между импульсами 300-400 мс, регистрируют - зависимость потенциала от времени (у нас - измеряемый сигнал), из полученной зависимости отбирают значения зависимости бестоковых потенциалов от времени, полученную зависимость бестоковых потенциалов от времени дифференцируют, по полученной зависимости производной от времени определяют локальный минимум, на участках между точками перегиба находят точки с максимальным значением производной, по потенциалам которых идентифицируют фазу продуктов коррозии, а по длине участков между точками перегиба находят количество этой фазы, затем каждый из образцов контрольной вырезки помещают в трехэлектродную электролитическую ячейку (у нас - электрохимическая ячейка) со свободным объемом электролита, задают режим линейной развертки потенциала со скоростью 4-6 мВ/с и снимают кривые зависимости плотности тока (у нас - циклическая вольтамперометрия) от потенциала в 3% растворе хлорида натрия на поверхности без продуктов коррозии и на поверхности с продуктами коррозии, для полученных кривых зависимостей плотности тока от потенциала вычисляют производные плотности тока по потенциалу, находят значение потенциала, при котором производные отличаются не более чем на 0,01-0,015, для этого значения потенциала находят плотности тока на поверхности без продуктов коррозии и на поверхности с продуктами коррозии, вычисляют долю свободной поверхности, далее каждый из образцов контрольной вырезки помещают в электролитическую ячейку со свободным объемом электролита, получают годографы импеданса собственно продуктов коррозии и годографы импеданса продуктов коррозии в щелочном электролите, строят уравнение одномерной линейной регрессии по которому вычисляют активную составляющую импеданса, затем по полученным фазовому составу продуктов коррозии и их количеству, значению доли свободной поверхности, активной составляющей импеданса рассчитывают показатель коррозии по системе уравнений линейной регрессии, построенных по обучающим выборкам образцов, полученным для определенных параметров коррозионной среды, по распределению значений RF по площади анализируемого образца и фазового состава продуктов коррозии устанавливают вид коррозионных поражений.The closest to the claimed method is the method for predicting the required characteristics, set out in patent RU2653775. The forecasting method described in the patent relates to the corrosion rate (ours is the predicted parameter) and consists of preparing surfaces (ours is preparing samples), visual measuring, flaw detection, acoustic emission and other non-destructive testing methods, determining the parameters of the actual technical condition of the pipeline , determining the corrosion indicator, configuration and size of existing defects, characterized in that, based on the results of visual measuring, flaw detection, acoustic emission and other non-destructive testing methods (in our case - physical and chemical testing), control cuttings are performed, and used as surface preparation dividing the control cutting into samples; on each of the obtained samples of the control cutting, a pressure electrochemical cell with an acidic electrolyte is installed, a stepwise changing current is passed (in our case, the input signal), including 30 pulses with a uniformly increasing amplitude of 0.004 mA on each pulse, pulse duration 2000 -2500 ms, the duration of the pause between pulses is 300-400 ms, the dependence of the potential on time is recorded (in our case it is the measured signal), the values of the dependence of the no-current potentials on time are selected from the obtained dependence, the obtained dependence of the no-current potentials on time is differentiated according to the obtained dependence of the derivative a local minimum is determined from time to time, in the areas between the inflection points the points with the maximum value of the derivative are found, by the potentials of which the phase of the corrosion products is identified, and the amount of this phase is found from the length of the sections between the inflection points, then each of the control cutting samples is placed in a three-electrode electrolytic cell ( in our case - an electrochemical cell) with a free volume of electrolyte, set the linear potential scan mode at a speed of 4-6 mV/s and take the curves of the dependence of the current density (in our case - cyclic voltammetry) on the potential in a 3% sodium chloride solution on a surface without corrosion products and on the surface with corrosion products, for the obtained curves of current density versus potential, calculate the derivatives of the current density with respect to the potential, find the potential value at which the derivatives differ by no more than 0.01-0.015, for this potential value find the current density on the surface without corrosion products and on the surface with corrosion products, calculate the fraction of the free surface, then each of the control cutting samples is placed in an electrolytic cell with a free volume of electrolyte, the impedance hodographs of the corrosion products themselves and the impedance hodographs of the corrosion products in the alkaline electrolyte are obtained, a one-dimensional linear regression equation is constructed according to to which the active component of the impedance is calculated, then, based on the obtained phase composition of corrosion products and their quantity, the value of the fraction of the free surface, the active component of the impedance, the corrosion indicator is calculated using a system of linear regression equations constructed from training samples of samples obtained for certain parameters of the corrosive environment, according to the distribution of values RF determines the type of corrosion lesions based on the area of the analyzed sample and the phase composition of corrosion products.

Недостатком прототипа является ограничение функционального назначения способа, относящегося к прогнозированию коррозии.The disadvantage of the prototype is the limitation of the functional purpose of the method related to corrosion prediction.

Проблемой прогнозирования удельной емкости графитового анодного материала ЛИА является длительное время получения результата, которое, с учетом формования и циклирования занимает несколько месяцев, тогда как требования производства сводятся к 1-2 суткам.The problem of predicting the specific capacity of the graphite anode material LIB is the long time to obtain the result, which, taking into account molding and cycling, takes several months, while production requirements are reduced to 1-2 days.

Техническим результатом изобретения является сокращение времени получения результата прогнозирования емкости за счет применения независимых экспресс-методик.The technical result of the invention is to reduce the time to obtain the result of capacity prediction through the use of independent express methods.

Указанная проблема решается предлагаемым способ прогнозирования удельной емкости графитового анодного материала литий-ионного аккумулятора. Способ прогнозирования удельной емкости графитового анодного материала литий-ионного аккумулятора включает подготовку и проведение физико-химического контроля образцов, проведение измерений на поверхности образцов с размещением на их поверхности прижимной электрохимической ячейки с кислым электролитом с подачей входного сигнала и получении измеряемого сигнала, сборку электрохимической ячейки с получением циклических вольтамперометрических зависимостей и годографов электрохимического импеданса, обработку полученных данных на основе системы уравнений линейной регрессии, построенных по обучающим выборкам образцов с известными значениями прогнозируемых параметров, причем проводят физико-химический контроль, заключающийся в измерении рН водной вытяжки порошкообразного графитового анодного материала, в качестве образцов используют электроды, которые подготавливают путем приготовления смеси порошкообразного графитового анодного материала со связующим, нанесении ее на коллекторы электрода, сушке и прокатке электродов, на поверхности полученных электродов проводят измерения в прижимной электрохимической ячейке, в которых качестве входного сигнала используют ступенчато меняющийся потенциал с длительностью ступени 20-180 с и величиной ступени 15-20 мВ, в качестве измеряемого сигнала используют зависимость количеств электричества от потенциалов ступеней, готовят две электрохимические ячейки в виде дисковых элементов типа 2016, каждый из которых содержит литиевый электрод, сепаратор, образцы электродов, электролит, в одной электрохимической ячейке получают годограф электрохимического импеданса, а другой циклические вольтамперометрические зависимости в диапазоне потенциалов: 5-1500 мВ при скоростях развертки потенциала 4-100 мВ/с, обработка полученных данных на основе системы уравнений линейной регрессии включает нахождение суммарного количества электричества зависимости количества электричества от потенциала в области потенциалов минус 700 - 0 мВ, нахождение углового коэффициента зависимости максимума плотности тока от квадратного корня из скорости развертки потенциала, определение параметров Rs и СРЕ-Тсхемы замещения электрохимической ячейки Rs-CPE в диапазоне частот 0,1-100 Гц, определение принадлежности данных к одному из четырех кластеров на плоскости рН-количество электричества в интервале потенциалов минус 700 - 0 мВ, границы которых определяются по результатам кластеризации данных для образцов с известными значениями удельной емкости, выбор расчетного уравнения множественной регрессии для расчета прогнозируемой емкости, каждое из которых построено по данным образцов, для которых известна удельная емкость.This problem is solved by the proposed method for predicting the specific capacity of the graphite anode material of a lithium-ion battery. A method for predicting the specific capacity of a graphite anode material of a lithium-ion battery includes preparing and carrying out physical and chemical testing of samples, taking measurements on the surface of the samples with placing a pressing electrochemical cell with an acidic electrolyte on their surface with supplying an input signal and receiving a measured signal, assembling an electrochemical cell with obtaining cyclic voltammetric dependences and electrochemical impedance hodographs, processing the obtained data based on a system of linear regression equations constructed from training samples of samples with known values of the predicted parameters, and carrying out physicochemical control, which consists of measuring the pH of the aqueous extract of powdered graphite anode material, as samples use electrodes that are prepared by preparing a mixture of powdered graphite anode material with a binder, applying it to electrode collectors, drying and rolling the electrodes; measurements are taken on the surface of the resulting electrodes in a pressure electrochemical cell, in which a stepwise changing potential with a step duration is used as an input signal 20-180 s and a step size of 15-20 mV, the dependence of the amounts of electricity on the step potentials is used as the measured signal, two electrochemical cells are prepared in the form of disk elements of type 2016, each of which contains a lithium electrode, a separator, electrode samples, an electrolyte, One electrochemical cell receives a hodograph of electrochemical impedance, and the other receives cyclic voltammetric dependences in the potential range: 5-1500 mV at potential sweep rates of 4-100 mV/s, processing the obtained data based on a system of linear regression equations includes finding the total amount of electricity depending on the amount of electricity on potential in the potential region minus 700 - 0 mV, finding the angular coefficient of the dependence of the maximum current density on the square root of the potential sweep rate, determining the parameters Rs and CPE-T of the equivalent circuit of the Rs-CPE electrochemical cell in the frequency range 0.1-100 Hz, determining the affiliation data to one of four clusters on the pH-amount of electricity plane in the potential range minus 700 - 0 mV, the boundaries of which are determined based on the results of data clustering for samples with known specific capacitance values, the choice of a multiple regression design equation for calculating the predicted capacity, each of which is constructed according to samples for which the specific capacitance is known.

Удельная емкость графитового анодного материала литий-ионного аккумулятора (qa) определяется скоростью диффузии интеркалируемых ионов лития в объеме структуры и скоростью проникновения интеркалируемых ионов лития через структуру твердоэлектролитной пленки, которая образуется в процессе катодной и анодной поляризации при циклировании. Известно, что структура и ионная проводимость твердоэлектролитной пленки зависит от типа и количества поверхностных функциональных групп (ПФГ) на поверхности графита. Идентификация ПФГ проводится по их кислотно-основным и окислительно-восстановительным свойствам, поэтому первым этапом прогнозирования удельной емкости является измерение рН водной вытяжки графита и проведение восстановления ПФГ в режиме ступенчатой потенциостатической поляризации в датчике прижимной конструкции. Результатом измерений в этом режиме являются зависимости количество электричества-потенциал (qi(Ei)), на которых восстановлению каждого вида ПФГ соответствует точка перегиба или максимум. Проведенными исследованиями было установлено, что наиболее критичным является наличие ПФГ хинонного типа, восстанавливающихся при потенциалах в диапазоне от 0 до минус 700 мВ, в связи с чем суммарное количество электричества в этом диапазоне потенциалов (Qs) в совокупности с рН водной вытяжки была положена в основу кластеризации данных. На плоскости рН-количество электричества можно выделить четыре области, границы которых были установлены на основании массива данных, полученных для образцов с определенной удельной емкостью:The specific capacity of the graphite anode material of a lithium-ion battery ( qa ) is determined by the rate of diffusion of intercalated lithium ions in the volume of the structure and the rate of penetration of intercalated lithium ions through the structure of the solid electrolyte film, which is formed in the process of cathodic and anodic polarization during cycling. It is known that the structure and ionic conductivity of a solid electrolyte film depends on the type and number of surface functional groups (SFGs) on the graphite surface. Identification of PFGs is carried out by their acid-base and redox properties, therefore the first stage of predicting the specific capacity is to measure the pH of the aqueous extract of graphite and carry out the reduction of PFGs in the mode of stepwise potentiostatic polarization in a clamping structure sensor. The result of measurements in this mode is the dependence of the amount of electricity - potential (q i (E i )), in which the restoration of each type of PFG corresponds to an inflection point or maximum. Studies have established that the most critical is the presence of quinone-type PFGs, which are restored at potentials in the range from 0 to minus 700 mV, and therefore the total amount of electricity in this potential range (Q s ) in conjunction with the pH of the aqueous extract was put in basis for data clustering. On the pH-quantity of electricity plane, four regions can be distinguished, the boundaries of which were established on the basis of an array of data obtained for samples with a certain specific capacity:

1) рН<7, Qs>-0,1 Кл, кислая область с малым количеством ПФГ хинонного типа;1) pH<7, Q s >-0.1 C, acidic region with a small amount of quinone-type PFG;

2) рН<7, Qs<-0,1 Кл кислая область с большим количеством ПФГ хинонного типа;2) pH<7, Q s <-0.1 C, acidic region with a large amount of quinone-type PFG;

3) рН>7, Qs<-0,1 Кл щелочная область с малым количеством ПФГ хинонного типа;3) pH>7, Q s <-0.1 C alkaline region with a small amount of quinone-type PFG;

4) рН>7, Qs>-0,1 Кл щелочная область с с большим количеством ПФГ хинонного типа.4) pH>7, Q s >-0.1 C alkaline region with a large amount of quinone-type PFG.

Принадлежность образца, для которого прогнозируется удельная емкость, к тому или иному из этих четырех кластеров, определяет тип образующейся на его поверхности твердоэлектролитной пленки, что позволяет рассматривать образцы, находящиеся в одном кластере как однотипные и строить для них единое уравнение множественной линейной регрессии относительно остальных параметров. Процесс формирования твердоэлектролитной пленки на поверхности графита начинается с ее химического взаимодействия с электролитом, что позволяет определить метод электрохимической импедансной спектроскопии. На годографах электрохимического импеданса электрохимических ячеек с исследуемым электродом, сепаратором, пропитанным электролитом и литиевым анодом, выделяются участки, соответствующие частотным диапазонам литиевого электрода, переноса в сепараторе и переноса в порах графитового анода и непосредственно на его поверхности. Проведенными исследованиями было установлено, что последние процессы происходят в частотном диапазоне 0,1-100 Гц, этот участок описывается простой схемой замещения сопротивление - элемент постоянной фазы (Rs-CPE), а параметрами, определяющими удельную емкость, являются значения сопротивления Rs и параметр СРЕ-Т, полученные в результате обработки указанного участка годографа. Кинетику переноса лития через твердоэлектролитную пленку позволяет учесть циклическая вольтамперометрия (ЦБА). В анодной области ЦВА, как показали проведенные исследования, для всех образцов имеется максимум, величина которого увеличивается с ростом скорости развертки потенциала. Если лимитирующей стадией циклирования является твердофазная диффузия лития, эта зависимость будет иметь низкий угловой коэффициент, kv. Если же этот угловой коэффициент имеет высокое значение, это означает, что твердоэлектролитная пленка имеет низкую проницаемость и лимитирующим является перенос в связанном сепаратором электролите. Таким образом, для прогнозирования удельной емкости может быть использована модель множественной линейной регрессии вида:Whether the sample for which the specific capacitance is predicted belongs to one or another of these four clusters determines the type of solid electrolyte film formed on its surface, which makes it possible to consider samples located in the same cluster as of the same type and to construct for them a single multiple linear regression equation with respect to other parameters . The process of formation of a solid electrolyte film on the surface of graphite begins with its chemical interaction with the electrolyte, which makes it possible to determine the method of electrochemical impedance spectroscopy. On the hodographs of the electrochemical impedance of electrochemical cells with the electrode under study, a separator impregnated with electrolyte and a lithium anode, areas corresponding to the frequency ranges of the lithium electrode, transfer in the separator and transfer in the pores of the graphite anode and directly on its surface are identified. The studies have established that the latter processes occur in the frequency range of 0.1-100 Hz, this region is described by a simple resistance-constant phase element (Rs-CPE) equivalent circuit, and the parameters that determine the specific capacitance are the resistance values Rs and the CPE parameter -T, obtained as a result of processing the specified section of the hodograph. The kinetics of lithium transfer through a solid electrolyte film can be taken into account by cyclic voltammetry (CVA). In the anodic region of the CV, as the studies have shown, for all samples there is a maximum, the value of which increases with increasing speed of potential sweep. If the limiting stage of cycling is solid-state diffusion of lithium, this dependence will have a low slope, kv. If this slope coefficient has a high value, this means that the solid electrolyte film has low permeability and the transfer in the electrolyte associated with the separator is limiting. Thus, to predict specific capacity, a multiple linear regression model of the form can be used:

qa=b0+b1Rs+b2CPET+b3kvq a =b 0 +b 1 Rs+b 2 CPET+b 3 kv

В результате проведенных исследований были рассчитаны коэффициенты уравнений множественной линейной регрессии для каждой из четырех областей (1-4) на плоскости pH-Qs. Уравнения регрессии имели следующий вид:As a result of the research, the coefficients of the multiple linear regression equations were calculated for each of the four regions (1-4) on the pH-Q s plane. The regression equations had the following form:

Для области 1:For area 1:

qa=246+0,387⋅Rs+2285⋅СРЕТ-325%5⋅kvq a =246+0.387⋅Rs+2285⋅CPET-325%5⋅kv

Для области 2:For area 2:

qa=306-5,95⋅Rs+64909⋅СРЕТ - 27119⋅kvq a =306-5.95⋅Rs+64909⋅CRETE - 27119⋅kv

Для области 3:For area 3:

qa=211+1,387⋅Rs+5212⋅CPET-24512⋅kvq a =211+1.387⋅Rs+5212⋅CPET-24512⋅kv

Для области 4:For area 4:

qa=207+5,426⋅Rs+5123⋅СРЕТ-3041⋅kvq a =207+5.426⋅Rs+5123⋅SRET-3041⋅kv

Сущность изобретения поясняется фигурами.The essence of the invention is illustrated by figures.

На фиг. 1 приведена зависимость количества электричества от потенциала для образца тестируемого электрода.In fig. Figure 1 shows the dependence of the amount of electricity on the potential for a sample of the electrode being tested.

На фиг. 2 показаны циклические вольтамперометрические зависимости тестируемого образца при разных скоростях развертки. Скорости развертки в мВ/с приведены на кривых.In fig. Figure 2 shows the cyclic voltammetric dependences of the test sample at different scan rates. Sweep rates in mV/s are shown on the curves.

На фиг. 3 показана зависимость тока максимума анодной части циклических вольтамперометрических зависимостей, приведенных на фиг. 2 от квадратного корня из скорости развертки.In fig. Figure 3 shows the dependence of the current of the maximum of the anode part of the cyclic voltammetric dependences shown in Fig. 2 from the square root of the sweep speed.

На фиг. 4 приведен результат обработки годографа электрохимического импеданса для тестируемого образца.In fig. Figure 4 shows the result of processing the electrochemical impedance hodograph for the test sample.

Пример реализации способа.An example of the method implementation.

Для проведения прогнозирования удельной емкости графитового анодного материала определили рН водной вытяжки, которое составило 7,12. После этого из исследуемого материала были изготовлены электроды по следующей методике. В емкость миксера (объемом 250 мл) помещали 0,912 г CMC (карбоксиметилцеллюлоза ВТТ-770) и 50 г дистиллированной воды. Смешение компонентов проводили с помощью лабораторного миксера АХ-2000 при скорости 1000 об/мин. После полного растворения CMC в воде добавили 0,428 г углеродной сажи (SP) и 57, 84 г углеродного материала (SG-NT) Перемешивание производили в течении 2 часов (1-2 мин без вакуума, затем с применением вакуума, контролируя достижение вакуумметрического давления до 0,1 МПа). После полного смешения массы (контроль производили визуально) добавили 1,71 г полимерной анионной эмульсии стирол-бутадиенового каучука (SBR) и 0,875 N-метил-2-пирролидона (NMP) и перемешивали в течение 1-2 мин. После этого полученную массу нанесли с помощью аппликатора на медную фольгу, высушили и прокатали на вальцах. В результате было получено электродное полотно.To predict the specific capacity of the graphite anode material, the pH of the aqueous extract was determined, which was 7.12. After this, electrodes were made from the material under study using the following method. 0.912 g of CMC (carboxymethylcellulose VTT-770) and 50 g of distilled water were placed in a mixer container (volume 250 ml). The components were mixed using a laboratory mixer AX-2000 at a speed of 1000 rpm. After complete dissolution of CMC in water, 0.428 g of carbon black (SP) and 57.84 g of carbon material (SG-NT) were added. Stirring was carried out for 2 hours (1-2 minutes without vacuum, then using vacuum, controlling the achievement of vacuum pressure to 0.1 MPa). After complete mixing of the mass (control was carried out visually), 1.71 g of a polymer anionic emulsion of styrene-butadiene rubber (SBR) and 0.875 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added and stirred for 1-2 minutes. After this, the resulting mass was applied using an applicator onto copper foil, dried and rolled on rollers. As a result, an electrode sheet was obtained.

Для измерений в прижимной электрохимической ячейке из электродного полотна были вырезаны образцы, на которых были проведены измеренияв прижимной электрохимической ячейке, в которых качестве входного сигнала использовали ступенчато меняющийся потенциал с длительностью ступени 40 с и величиной ступени 20 мВ, в качестве измеряемого сигнала использовали зависимость количеств электричества от потенциалов ступеней. По полученной зависимости (фиг. 1) было рассчитано количество электричества в диапазоне минус 700-0 мВ суммированием значений количеств электричества, попавших в указанный диапазон. Это значение составило - 0,42 Кл.For measurements in a clamping electrochemical cell, samples were cut out of the electrode sheet, on which measurements were carried out in a clamping electrochemical cell, in which a stepwise changing potential with a step duration of 40 s and a step value of 20 mV was used as the input signal; the dependence of the amounts of electricity was used as the measured signal from the stage potentials. Based on the obtained dependence (Fig. 1), the amount of electricity in the range of minus 700-0 mV was calculated by summing the values of the amounts of electricity falling within the specified range. This value was 0.42 C.

Из электродного полотна были вырублены два электрода для ячейки в корпусе элемента 2016. Из полученных электродов были собраны две электрохимические ячейки, включающие вырубленные электроды, сепаратор трехслойный Jimitek, на который было нанесено 0,3 мл электролита ТСЕ 2016, литиевый вспомогательный электрод (этот же электрод являлся электродом сравнения).Two electrodes were cut out of the electrode sheet for the cell in the body of the 2016 cell. From the resulting electrodes, two electrochemical cells were assembled, including the cut out electrodes, a three-layer Jimitek separator, onto which 0.3 ml of TSE 2016 electrolyte was applied, a lithium auxiliary electrode (the same electrode was the reference electrode).

В одной ячейке провели измерение электрохимического импеданса. Полученный годограф (фиг. 2) был сохранен в виде файла, совместимого с программой обработки Z-View.Electrochemical impedance was measured in one cell. The resulting hodograph (Fig. 2) was saved as a file compatible with the Z-View processing program.

В другой ячейке получили циклические вольтамперометрические зависимости при скоростях развертки потенциала 4, 10, 20, 50 и 100 мВ/с (фиг. 2).In another cell, cyclic voltammetric dependences were obtained at potential scan rates of 4, 10, 20, 50 and 100 mV/s (Fig. 2).

Обработка данных включала:Data processing included:

1. Расчет величины Qs по полученной зависимости qi(Ei). Суммирование значений qs в диапазоне потенциалов минус 700-0 мВ дает значение - 0,14 Кл.1. Calculation of the Qs value based on the obtained dependence q i (E i ). Summation of qs values in the potential range minus 700-0 mV gives a value of - 0.14 C.

2. Обработку годографа электрохимического импеданса в программе Z-View. Файл измерений электрохимического импеданса (Фиг. 4) был разделен на три участка, соответствующих литиевому электроду, сепаратору и графитовому электроду. Последний участок в диапазоне частот 1-100 Гц был обработан в соответствие со схемой замещения Rs-CPE, для которой были получены значения:2. Processing the electrochemical impedance hodograph in the Z-View program. The electrochemical impedance measurement file (Figure 4) was divided into three sections corresponding to the lithium electrode, separator and graphite electrode. The last section in the frequency range 1-100 Hz was processed in accordance with the Rs-CPE equivalent circuit, for which the following values were obtained:

Rs=6,782 ОмRs=6.782 Ohm

СРЕТ=0,0097 ФCPET=0.0097 F

3. На каждой кривой фиг. 2 были отобраны значения максимума тока на анодной ветви ЦВА, полученные значения были построены в координатах Im - √v (фиг. 3), для этих данных были рассчитаны коэффициенты уравнения линейной регрессии с помощью стандартной опции программы Excel. Значение коэффициента kv составило:3. On each curve of Fig. 2, the values of the maximum current on the anode branch of the CV were selected, the obtained values were plotted in the coordinates Im - √v (Fig. 3), for these data the coefficients of the linear regression equation were calculated using the standard Excel option. The kv coefficient value was:

kv=0,00317.kv=0.00317.

4. На основании значения рН водной вытяжки, равного 7,12 и значения Qs, равного -0,14 было установлено, что необходимо использовать уравнение регрессии для области 4. Подстановка полученных значений параметров в уравнение регрессии для области 4 дает:4. Based on the pH value of the aqueous extract equal to 7.12 and the Qs value equal to -0.14, it was determined that it is necessary to use the regression equation for region 4. Substituting the obtained parameter values into the regression equation for region 4 gives:

qa=207+5,426⋅6,782+5123⋅0,0097-0,00317⋅3041=284 мАч/гq a =207+5.426⋅6.782+5123⋅0.0097-0.00317⋅3041=284 mAh/g

При определении емкости материала методом гальваностатического циклирования было получено значение 278 мАч/г. Испытания проводились в течение 5 суток. Ошибка прогнозирования составила 2,2% от определяемой величины. Общее время проведения измерений и обработки данных составило 2,5 часа.When determining the capacity of the material using the galvanostatic cycling method, a value of 278 mAh/g was obtained. The tests were carried out over 5 days. The forecast error was 2.2% of the determined value. The total time for measurements and data processing was 2.5 hours.

Claims (1)

Способ прогнозирования удельной емкости графитового анодного материала литий-ионного аккумулятора, включающий подготовку и проведение физико-химического контроля образцов, проведение измерений на поверхности образцов с размещением на их поверхности прижимной электрохимической ячейки с кислым электролитом с подачей входного сигнала и получением измеряемого сигнала, сборку электрохимической ячейки с получением циклических вольтамперометрических зависимостей и годографов электрохимического импеданса, обработку полученных данных на основе системы уравнений линейной регрессии, построенных по обучающим выборкам образцов с известными значениями прогнозируемых параметров, отличающийся тем, что проводят физико-химический контроль, заключающийся в измерении рН водной вытяжки порошкообразного графитового анодного материала, в качестве образцов используют электроды, которые подготавливают путем приготовления смеси порошкообразного графитового анодного материала со связующим, нанесении ее на коллекторы электрода, сушке и прокатке электродов, на поверхности полученных электродов проводят измерения в прижимной электрохимической ячейке, в которых в качестве входного сигнала используют ступенчато меняющийся потенциал с длительностью ступени 20-180 с и величиной ступени 15-20 мВ, в качестве измеряемого сигнала используют зависимость количеств электричества от потенциалов ступеней, готовят две электрохимические ячейки в виде дисковых элементов типа 2016, каждый из которых содержит литиевый электрод, сепаратор, образцы электродов, электролит, в одной электрохимической ячейке получают годограф электрохимического импеданса, а другой циклические вольтамперометрические зависимости в диапазоне потенциалов: 5-1500 мВ при скоростях развертки потенциала 4-100 мВ/с, обработка полученных данных на основе системы уравнений линейной регрессии включает нахождение суммарного количества электричества зависимости количества электричества от потенциала в области потенциалов минус 700 - 0 мВ, нахождение углового коэффициента зависимости максимума плотности тока от квадратного корня из скорости развертки потенциала, определение параметров Rs и СРЕ-Т схемы замещения электрохимической ячейки Rs-CPE в диапазоне частот 0,1-100 Гц, определение принадлежности данных к одному из четырех кластеров на плоскости рН-количество электричества в интервале потенциалов минус 700 - 0 мВ, границы которых определяются по результатам кластеризации данных для образцов с известными значениями удельной емкости, выбор расчетного уравнения множественной регрессии для расчета прогнозируемой емкости, каждое из которых построено по данным образцов, для которых известна удельная емкость.A method for predicting the specific capacity of a graphite anode material of a lithium-ion battery, including preparing and carrying out physical and chemical testing of samples, taking measurements on the surface of the samples with placing on their surface a pressing electrochemical cell with an acidic electrolyte with supplying an input signal and receiving a measured signal, assembling the electrochemical cell with obtaining cyclic voltammetric dependences and hodographs of electrochemical impedance, processing the obtained data based on a system of linear regression equations constructed from training samples of samples with known values of the predicted parameters, characterized in that they carry out physico-chemical control, which consists of measuring the pH of an aqueous extract of powdered graphite anode material, electrodes are used as samples, which are prepared by preparing a mixture of powdered graphite anode material with a binder, applying it to the electrode collectors, drying and rolling the electrodes; measurements are taken on the surface of the resulting electrodes in a pressure electrochemical cell, in which stepwise steps are used as the input signal changing potential with a step duration of 20-180 s and a step value of 15-20 mV, the dependence of the amounts of electricity on the step potentials is used as the measured signal, two electrochemical cells are prepared in the form of disk elements of type 2016, each of which contains a lithium electrode, a separator, samples electrodes, electrolyte, in one electrochemical cell a hodograph of electrochemical impedance is obtained, and in the other cyclic voltammetric dependences are obtained in the potential range: 5-1500 mV at potential scan rates of 4-100 mV/s, processing the obtained data based on a system of linear regression equations includes finding the total amount electricity dependence of the amount of electricity on the potential in the potential region minus 700 - 0 mV, finding the angular coefficient of the dependence of the maximum current density on the square root of the potential sweep rate, determining the Rs and CPE-T parameters of the equivalent circuit of the Rs-CPE electrochemical cell in the frequency range 0.1 -100 Hz, determination of whether the data belongs to one of four clusters on the pH-amount of electricity plane in the potential range minus 700 - 0 mV, the boundaries of which are determined based on the results of data clustering for samples with known specific capacitance values, selection of the multiple regression calculation equation for calculating the predicted capacities, each of which is built according to data from samples for which the specific capacitance is known.
RU2023121839A 2023-08-21 Method for predicting specific capacity of graphite anodic material of lithium-ion battery RU2808661C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2808661C1 true RU2808661C1 (en) 2023-11-30

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2533328C1 (en) * 2013-07-04 2014-11-20 Открытое акционерное общество "Сафоновский завод гидрометеорологических приборов" (ОАО "Сафоновский завод "Гидрометприбор") Accumulator residual capacitance determination method
RU2653775C1 (en) * 2017-04-04 2018-05-14 Татьяна Викторовна Козлова Method of pipeline corrosion monitoring

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2533328C1 (en) * 2013-07-04 2014-11-20 Открытое акционерное общество "Сафоновский завод гидрометеорологических приборов" (ОАО "Сафоновский завод "Гидрометприбор") Accumulator residual capacitance determination method
RU2653775C1 (en) * 2017-04-04 2018-05-14 Татьяна Викторовна Козлова Method of pipeline corrosion monitoring

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
БОГУШ И.Ю. И ДР. "ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕЗОПОРИСТЫХ ЭЛЕКТРОДОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЙ-УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК", ЖУРНАЛ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, Т. 92, ВЫП. 12, С. 1833-1843, 2022. *
ЛИПКИН М.С. И ДР. "ИЗУЧЕНИЕ СТАДИЙ ЗАРЯДНЫХ ПРОЦЕССОВ ГРАФИТОВОГО ЭЛЕКТРОДА ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА В ЭТИЛЕНКАРБОНАТНОМ ЭЛЕКТРОЛИТЕ", ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, N 1 (201), C.110-114, 2019. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107607880B (en) Lithium ion battery internal health feature extraction method based on impedance spectrum
Kindermann et al. Long-term equalization effects in Li-ion batteries due to local state of charge inhomogeneities and their impact on impedance measurements
Eddahech et al. Determination of lithium-ion battery state-of-health based on constant-voltage charge phase
CN109669142A (en) A kind of method and system for the migration of real-time monitoring all-vanadium flow battery vanadium
Guillemet et al. Modeling pseudo capacitance of manganese dioxide
CN114089191B (en) Composite lithium ion battery health condition estimation method
Gode et al. In-situ measurements of gas permeability in fuel cell membranes using a cylindrical microelectrode
CN113933714A (en) Battery capacity prediction method based on combination of simplified electrochemical model and grey prediction
EP3236248A1 (en) Ionic conductivity test device, and test method using same
Perry et al. Probing mass transport processes in Li-ion batteries using electrochemical impedance spectroscopy
WO2022199224A1 (en) Sensing apparatus for synchronous transport of moisture and chloride ions inside concrete
Yoho et al. Electrochemical impedance spectroscopy as a powerful analytical tool for the study of microbial electrochemical cells
RU2808661C1 (en) Method for predicting specific capacity of graphite anodic material of lithium-ion battery
Ostanina et al. Determination of the surface of dendritic electrolytic zinc powders and evaluation of its fractal dimension
Astafev et al. Relaxation electrochemical noise of Li/SOCl 2 and Li/MnO 2 primary batteries
CN113419188B (en) Online identification method and system for key electrochemical aging parameters in battery
Blood et al. An electrochemical technique for state of charge (SOC) probing of positive lead–acid battery plates
Hardy et al. Flexible probe for measuring local conductivity variations in Li-ion electrode films
Kanevskii Special features of discharge characteristics of different types of lithium-thionyl chloride cells and the problem of their diagnostics
CN112595986A (en) Battery service life diagnosis method based on differential thermal voltammetry curve characteristics
Lindbergh Experimental determination of the effective electrolyte conductivity in porous lead electrodes in the lead-acid battery
Gasper et al. Lithium loss, resistance growth, electrode expansion, gas evolution, and Li plating: Analyzing performance and failure of commercial large-format NMC-Gr lithium-ion pouch cells
Weininger et al. State‐of‐Charge Indicator for Lead‐Acid Batteries
Jin et al. Simplified methods for determining the ionic resistance in a porous electrode using linear voltammetry
CN115979907A (en) Electrode plate pore detection method and electrode plate