بررسی آزمایشگاهی و مدل‌سازی نیمه‌تجربی زمان شارژ باتری لیتیوم-یون با هدف کنترل فرایند شارژ متناسب با جریان‌های گوناگون

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکده مکانیک، پژوهشگاه فضایی ایران، شیراز، ایران

چکیده

یکی از چالش­ های اصلی در توسعه باتری­ های لیتیوم- یون به ‌ویژه در کاربردهایی مانند خودروهای الکتریکی، زمان شارژ طولانی آن­ها است و کوتاه ­تر کردن زمان شارژ بسته باتری یک مسئله بحرانی در این زمینه می‌باشد. فرایند شارژ باتری لیتیوم- یون به‌وسیله یک شارژر جریان ثابت-ولتاژ ثابت صورت می‌پذیرد. شارژ سریع ممکن است با سرعت بخشیدن به زوال باتری، عملکرد آن را تحت تأثیر قرار دهد. در پژوهش حاضر مدلی برای پیش ­بینی دقیق زمان شارژ باتری ارایه می ­شود که بر اساس آن در نرخ جریان‌های (C-rate) ­ گوناگون شارژ می‌توان زمان شارژ باتری را برآورد نمود، به‌طوری که ضریب تشخیص (R2) برازش‌های انجام‌شده بر اساس مدل برای پنج نمونه باتری لیتیوم- یون مورد بررسی بیش از 99/0 می‌باشد. این موضوع نشان­ دهنده انطباق بسیار خوب نتیجه‌های تجربی با پیش‌بینی‌های مدل پیشنهادی است. از آن­جا که مرحله ولتاژ ثابت در فرایند شارژ باتری لیتیوم-یون تا زمانی ادامه می‌یابد که شدت جریان تا مقدار مشخصی کاهش یابد در نتیجه در صورت تشخیص ­ندادن کاهش شدت جریان در مرحله ولتاژ ثابت، شاهد شارژ بیش از حد باتری خواهیم بود. هم‌چنین در صورت اختلال در سامانه باتری ممکن است جریان در مرحله ولتاژ ثابت با یک روال مشخص افت نکند که این موضوع نیز باعث شارژ بیش ازحد باتری و در نتیجه کاهش ظرفیت آن خواهد شد. پس با در اختیار داشتن یک برآورد درست از زمان شارژ باتری می ­توان هر دو مرحله شارژ (جریان ثابت و ولتاژ ثابت) را به‌وسیله زمان محدود کرد تا در هنگام شارژ سریع، زوال بیش تری بر سامانه باتری لیتیوم-یون تحمیل نشود و از بروز هر گونه مشکل یا خرابی به علت شارژ بیش از حد باتری جلوگیری شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Kim D.-R., Kang J.-W., Eom T.-H., Kim J.-M., Lee J., Won C.-Y., An Adaptive Rapid Charging Method for Lithium-Ion Batteries with Compensating Cell Degradation Behavior, Applied Sciences, 8(8): 1251 (2018).
[2] Sarshar M., Zarei-Jelyani M., Babaiee M., Application of Semi Empirical and Multiphysics Models in Simulating Lithium Ion Battery Operation, in “The 10th International Chemical Engineering Congress and Exhibition” (2018).
[3] Sadeghi B., Sarraf-Mamoory R., Shahverdi H. R., The Effect of LiFePO4 Coating on Electrochemical Performance of LiMn2O4 Cathode Material, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 31(4): 29-33 (2012).
[4] کریمی پ.، سنچولی م.، مطالعه قابلیت نانوساختارهای بر پایه گرافن به عنوان باتری‌های یون سدیم، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)38: 23 تا 30 (1398).
[5] معلی ع.، نوعی م.، خضعلی ف.، مالکی ا.، اثر میدان الکتریکی بر عملکرد باتری یون سدیم بر مبنای آند بور-نیترید با استفاده از نظریه تابع چگالی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)40: 121 تا 128 (1400).
[6] علیزاده ر.، عابدینی س.، نبی بیدهندی غ.ر.، عموعابدینی ق.، حذف فلز سرب از پساب صنایع باتری‌سازی با استفاده از نانوذرات مغناطیسی آهن، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (1)30: 71 تا 77 (1390).
[7] Zarei-Jelyani M., Babaiee M., Baktashian S., Eqra R., Unraveling the Role of Binder Concentration on the Electrochemical Behavior of Mesocarbon Microbead Anode in Lithium–Ion Batteries: Understanding the Formation of the Solid Electrolyte Interphase, Journal of Solid State Electrochemistry, 23(10): 2771-2783 (2019).
[8] زارعی جلیانی م.، بکتاشیان ش.، بابایی م.، قاسمی ع.، اقرء ر.، بررسی الکتروشیمیایی تشکیل لایه SEI در فرایند فرماسیون آند گرافیت طبیعی در باتری لیتیوم-یون، مجله مواد پیشرفته و پوشش‌های نوین، (26)7: 1825 تا 1832 (1397).
[9] Loghavi M.M., Askari M., Babaiee M., Ghasemi A., Improvement of the Cyclability of Li-Ion Battery Cathode using a Chemical-Modified Current Collector, Journal of Electroanalytical Chemistry, 841: 107-110 (2019).
[10] Dehghan F., Mohammadi-Manesh H., Loghavi M.M., Investigation of Lithium-Ion Diffusion in LiCoPO 4 Cathode Material by Molecular Dynamics Simulation, Journal of Structural Chemistry, 60(5): 727-735 (2019).
[11] Zarei-Jelyani M., Baktashian S., Babaiee M., Eqra R., Improved Mechanical and Electrochemical Properties of Artificial Graphite Anode using Water-Based Binders in Lithium-Ion Batteries, Journal of Renewable Energy and Environment, 5(4): 34-39 (2018).
[12] زارعی جلیانی م.، سرشار م.، بابایی م.، قاسمی ع.، مطالعه آزمایشگاهی و تدوین مدل تجربی افت ظرفیت باتری لیتیوم یون فضایی، مجله مدل­ سازی در مهندسی، (55)16: 35 تا 40، (1397).
[13] Zaghib K., Dontigny M., Guerfi A., Charest P., Rodrigues I., Mauger A., Julien C.M., Safe and Fast-Charging Li-Ion Battery with Long Shelf Life for Power Applications, Journal of Power Sources, 196(8): 3949-3954 (2011).
[14] Ernst C.-S., Hackbarth A., Madlener R., Lunz B., Sauer D. U., Eckstein L., Battery Sizing for Serial Plug-in Hybrid Electric Vehicles: a Model-based Economic Analysis for Germany, Energy Policy, 39(10): 5871-5882 (2011).
[15] Liu Y.-H., Teng J.-H., Lin Y.-C., Search for an Optimal Rapid Charging Pattern for Lithium-Ion Batteries using Ant Colony System Algorithm, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 52(5): 1328-1336 (2005).
[16] Purushothaman B., Landau U., Rapid Charging of Lithium-Ion Batteries using Pulsed Currents a Theoretical Analysis, Journal of The Electrochemical Society, 153(3): 533-542 (2006).
[17] Vetter J., Novák P., Wagner M.R., Veit C., Möller K.C., Besenhard J.O., Winter M., Wohlfahrt-Mehrens M., Vogler C., Hammouche A., Ageing Mechanisms in Lithium-Ion Batteries, Journal of Power Sources, 147(1-2): 269-281 (2005).
[18] Zarei-Jelyani M., Sarshar M., Babaiee M., Tashakor N., Development of Lifetime Prediction Model of Lithium-Ion Battery Based on Minimizing Prediction Errors of Cycling and Operational Time Degradation using Genetic Algorithm, Journal of Renewable Energy and Environment, 5(3): 60-63 (2018).
[19] Mousavi Safavi S. M., Kiani M. A., Supercapacitive Performance of Ordered Mesoporous Carbon (CMK-3) in Neutral Aqueous Electrolyte, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 37(2): 103-109 (2018).
[20] Ouyang D., Chen M., Huang Q., Weng J., Wang Z., Wang J., A Review on the Thermal Hazards of the Lithium-Ion Battery and the Corresponding Countermeasures, Applied Sciences, 9(12): 2483 (2019).
[21] Zhao J., Rao Z., Huo Y., Liu X., Li Y., Thermal Management of Cylindrical Power Battery Module for Extending the Life of New Energy Electric Vehicles, Applied thermal engineering, 85: 33-43 (2015).
[22] Wang Q., Sun J., Chen X., Chu G., Chen C., Effects of Solvents and Salt on the Thermal Stability of Charged LiCoO2, Materials Research Bulletin, 44(3): 543-548 (2009).
[23] Lin C.H., Chen C.L., Lee Y.H., Wang S.J., Hsieh C.Y., Huang H.W., Chen K.H., Fast Charging Technique for Li-Ion Battery Charger, in 15th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, 618-621 (2008).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار