Gizemi Ortaya Çıkarmak: Lityum İyon Pillerde Süper Teorik Kapasite
By hoppt
Lityum pil neden süper teorik kapasite olgusuna sahiptir?
Lityum iyon pillerde (LIB'ler), birçok geçiş metali oksit bazlı elektrot, teorik değerlerinin ötesinde alışılmadık derecede yüksek depolama kapasitesi sergiler. Bu fenomen geniş çapta rapor edilmesine rağmen, bu materyallerdeki temel fizikokimyasal mekanizmalar hala anlaşılması zor ve tartışma konusu olmaya devam ediyor.
Sonuçların profili
Yakın zamanda, Kanada Waterloo Üniversitesi'nden Profesör Miao Guoxing, Austin'deki Texas Üniversitesi'nden Profesör Yu Guihua ve Qingdao Üniversitesi'nden Li Hongsen ve Li Qiang, "Ekstra depolama kapasitesi" başlığı altında Doğa Malzemeleri üzerine ortaklaşa bir araştırma makalesi yayınladılar. Yerinde manyetometri ile ortaya çıkan geçiş metal oksit lityum iyon piller". Bu çalışmada yazarlar, metal nanopartiküller üzerinde güçlü yüzey kapasitansının varlığını ve uzaysal yük mekanizmasıyla tutarlı olarak çok sayıda spin-polarize elektronun zaten indirgenmiş metal nanopartiküllerde depolanabileceğini göstermek için yerinde manyetik izlemeyi kullandılar. Ek olarak, ortaya çıkan uzaysal yük mekanizması diğer geçiş metali bileşiklerine de genişletilebilir ve ileri enerji depolama sistemlerinin kurulması için önemli bir kılavuz sağlayabilir.
Araştırma Sonuçları
(1) Tipik bir Fe, yerinde manyetik izleme tekniği3O4/ Li pil içindeki elektronik yapının evrimi kullanılarak incelenmiştir;
(2) Fe3O4/Li sisteminde yüzey yük kapasitesinin ekstra kapasitenin ana kaynağı olduğunu ortaya koymaktadır;
(3) Metal nanopartiküllerin yüzey kapasitans mekanizması, çok çeşitli geçiş metali bileşiklerini kapsayacak şekilde genişletilebilir.
Metin ve metin kılavuzu
- Yapısal karakterizasyon ve elektrokimyasal özellikler
Monodispers içi boş Fe, geleneksel hidrotermal yöntemlerle sentezlendi3O4Nanosferler ve daha sonra 100 mAg−1Şarj ve akım yoğunluğunda deşarj edildi (Şekil 1a), ilk deşarj kapasitesi sırasıyla 1718 mAh g−1, ikinci ve üçüncü seferde 1370 mAhg− 1Ve 1,364 mAhg−1, 926 mAhg−1'in çok üzerinde Beklenti teorisi. Tamamen boşalmış ürünün BF-STEM görüntüleri (Şekil 1b-c), lityum indirgenmesinden sonra Fe3O4 nanokürelerinin, Li1O merkezinde dağılmış, yaklaşık 3 – 2 nm boyutunda daha küçük Fe nanopartiküllerine dönüştürüldüğünü göstermektedir.
Elektrokimyasal döngü sırasında manyetizmadaki değişimi göstermek için, 0.01 V'a kadar tam deşarjdan sonra nanopartiküllerin oluşumundan kaynaklanan süperparamanyetik davranışı gösteren bir mıknatıslanma eğrisi elde edildi (Şekil 1d).
Şekil 1 (a) 100 mAg−1Fe'de akım yoğunluğundaki döngünün3O4/ Sabit akım Li pilin şarj ve deşarj eğrisi; (b) tamamen lityum Fe3O4 Elektrotun BF-STEM görüntüsü; (c) Hem O hem de Fe'nin toplam2Yüksek çözünürlüklü BF-STEM görüntülerinde Li'nin varlığı; (d) Fe3O4 Elektrotun önceki (siyah) ve sonraki (mavi) histerezis eğrileri ve ikincisinin Langevin uyumlu eğrisi (mor).
- Yapısal ve manyetik evrimin gerçek zamanlı tespiti
Elektrokimyayı Fe3O4Of'un Fe3O4'e bağlı yapısal ve manyetik değişiklikleriyle birleştirmek için Elektrotlar yerinde X-ışını kırınımına (XRD) ve yerinde manyetik izlemeye tabi tutuldu. Açık devre voltajından (OCV) 1.2V3O4'e ilk boşalma sırasında bir dizi XRD kırınım deseninde Fe. Kırınım zirveleri, yoğunlukta veya konumda önemli ölçüde değişmedi (Şekil 2a), bu, Fe3O4Only'nin Li interkalasyon sürecini deneyimlediğini gösterir. 3V'ye şarj edildiğinde Fe3O4'ün anti-spinel yapısı bozulmadan kalıyor, bu da bu voltaj penceresindeki sürecin oldukça geri dönüşümlü olduğunu gösteriyor. Mıknatısın gerçek zamanlı olarak nasıl geliştiğini araştırmak için sabit akım şarj-deşarj testleri ile birlikte daha fazla yerinde manyetik izleme yapıldı (Şekil 2b).
Şekil 2 Yerinde XRD ve manyetik izlemenin karakterizasyonu.(A) yerinde XRD; (b) 3 T uygulanan manyetik alan altında Fe4O3 Elektrokimyasal şarj-deşarj eğrisi ve buna karşılık gelen tersinir yerinde manyetik tepki.
Mıknatıslanma değişiklikleri açısından bu dönüşüm sürecinin daha temel bir anlayışını kazanmak için, manyetik yanıt gerçek zamanlı olarak toplanır ve elektrokimyasal olarak tahrik edilen reaksiyonlara eşlik eden karşılık gelen faz geçişi (Şekil 3). İlk deşarj sırasında Fe3O4Elektrotların mıknatıslanma tepkisi, ilk litalizasyon sırasında Fe3O4 nedeniyle geri dönüşü olmayan faz geçişi meydana geldiğinden dolayı diğer çevrimlerden farklı olduğu oldukça açıktır. Potansiyel 0.78V'a düştüğünde Fe3O4Antispinel fazı Li2O sınıfı FeO halit yapısını içerecek şekilde dönüştürüldü, Fe3O4Faz şarj edildikten sonra geri yüklenemez. Buna bağlı olarak mıknatıslanma hızla 0.482 μ b Fe−1'e düşer. Lityumlaşma ilerledikçe yeni bir faz oluşmadı ve (200) ve (220) sınıfı FeO kırınım zirvelerinin yoğunluğu zayıflamaya başladı. Eşit Fe3O4Elektrot tamamen Liialize olduğunda tutulan önemli bir XRD zirvesi yok (Şekil 3a). Fe3O4 elektrodu 0.78V'den 0.45V'ye boşaldığında mıknatıslanmanın (0.482 μ b Fe−1'den 1.266 μ bFe−1'e arttığını) unutmayın. Bu, FeO'dan Fe'ye dönüşüm reaksiyonuna atfedilmiştir. Daha sonra deşarjın sonunda mıknatıslanma yavaş yavaş 1.132 μ B Fe−1'e düşürüldü. Bu bulgu, tamamen indirgenmiş metal Fe0Nanopartiküllerinin hala lityum depolama reaksiyonuna katılabileceğini, dolayısıyla elektrotların mıknatıslanmasını azaltabileceğini göstermektedir.
Şekil 3 Faz geçişinin ve manyetik tepkinin yerinde gözlemleri. (a) Elektrotun ilk deşarjı sırasında toplanan Fe3O4 Yerinde XRD haritası; (b) Fe3O4 3 T'lik uygulanan bir manyetik alanda / Li hücrelerinin elektrokimyasal döngülerinin yerinde manyetik kuvvet ölçümü.
- Fe0/Li2O sisteminin yüzey kapasitansı
Fe3O4Elektrotların manyetik değişiklikleri düşük voltajlarda meydana gelir; bu voltajlarda büyük olasılıkla ek bir elektrokimyasal kapasite üretilir, bu da hücre içinde keşfedilmemiş yük taşıyıcılarının varlığını düşündürür. Potansiyel lityum depolama mekanizmasını keşfetmek için Fe, manyetik değişimin kaynağını belirlemek amacıyla XPS, STEM ve 3V, 4V ve 0.01V'deki mıknatıslanma zirvelerinin manyetik performans spektrumu0.45O1.4Elektrotları aracılığıyla incelenmiştir. Sonuçlar manyetik momentin manyetik değişimi etkileyen önemli bir faktör olduğunu göstermektedir çünkü O sisteminin ölçülen Fe0/Li2Ms'si manyetik anizotropiden ve parçacıklar arası bağlantıdan etkilenmez.
Fe3O4Elektrotların düşük voltajdaki kinetik özelliklerini daha iyi anlamak için, farklı tarama hızlarında döngüsel voltametri. Şekil 4a'da gösterildiği gibi, dikdörtgen döngüsel voltammogram eğrisi 0.01V ile 1V arasındaki voltaj aralığında görünmektedir (Şekil 4a). Şekil 4b, elektrotta Fe3O4A kapasitif tepkisinin oluştuğunu göstermektedir. Sabit akım şarj ve deşarj işleminin son derece tersinir manyetik tepkisi ile (Şekil 4c), elektrotun mıknatıslanması, deşarj işlemi sırasında 1V'den 0.01V'ye düştü ve şarj işlemi sırasında tekrar arttı; bu, Fe0Of'un kapasitör benzeri olduğunu gösterir. yüzey reaksiyonu oldukça geri dönüşümlüdür.
Şekil 4 0.011 V'de elektrokimyasal özellikler ve yerinde manyetik karakterizasyon.(A) Döngüsel voltametrik eğri.(B) b değeri, tepe akımı ile tarama hızı arasındaki korelasyon kullanılarak belirlenir; (c) 5 T uygulanan manyetik alan altında şarj-deşarj eğrisine göre mıknatıslanmanın tersinir değişimi.
yukarıda bahsedilen Fe3O4Elektrotların elektrokimyasal, yapısal ve manyetik özellikleri, ilave pil kapasitesinin Fe0 tarafından belirlendiğini göstermektedir. Nanopartiküllerin spin-polarize yüzey kapasitansı, eşlik eden manyetik değişikliklerden kaynaklanmaktadır. Spin-polarize kapasitans, arayüzde spin-polarize yük birikiminin bir sonucudur ve şarj ve deşarj sırasında manyetik bir tepki gösterebilir. Fe3O4'e Baz elektrot, ilk deşarj işlemi sırasında, O substratındaki Li2Fine Fe nanopartikülleri içinde dağılmıştı. büyük yüzey-hacim oranlarına sahiptir ve oldukça lokalize d yörüngeleri nedeniyle Fermi seviyesinde yüksek durum yoğunluğunu gerçekleştirir. Maier'in uzaysal yük depolamaya ilişkin teorik modeline göre yazarlar, Fe/Li2'de bulunabilen metalik Fe nanoparçacıklarının spin-bölücü bantlarında büyük miktarda elektronun depolanabileceğini öne sürmektedirler. Şekil 5).
grafik 5Fe/Li2A O-arayüzünde spin-polarize elektronların yüzey kapasitansının şematik gösterimi.(A) ferromanyetik metal parçacıklarının yüzeyinin spin polarizasyon durum yoğunluğunun şematik diyagramı (deşarjdan önce ve sonra), bunun tersine demirin toplu spin polarizasyonu; (b) aşırı depolanmış lityumun yüzey kapasitör modelinde uzay yükü bölgesinin oluşumu.
Özet ve Görünüm
TM / Li, gelişmiş yerinde manyetik izleme ile araştırıldı2Bu lityum iyon pil için ek depolama kapasitesinin kaynağını ortaya çıkarmak için O nanokompozitinin dahili elektronik yapısının gelişimi. Sonuçlar, hem Fe3O4/Li model hücre sisteminde, elektrokimyasal olarak indirgenmiş Fe nanopartiküllerinin büyük miktarda spin-polarize elektron depolayabildiğini, bunun da aşırı hücre kapasitesinden ve önemli ölçüde değişen arayüzey manyetizmasından kaynaklandığını göstermektedir. Deneyler ayrıca CoO, NiO, FeF2 ve Fe2'yi doğruladı. N elektrot malzemesindeki bu tür kapasitansın varlığı, lityum iyon pillerdeki metal nanopartiküllerin spin-polarize yüzey kapasitansının varlığını gösterir ve bu uzaysal yük depolama mekanizmasının diğer geçişlerde uygulanmasının temelini oluşturur. metal bileşiği bazlı elektrot malzemeleri.
Edebiyat bağlantısı
Geçiş metal oksit lityum iyon pillerdeki ekstra depolama kapasitesi, yerinde manyetometri tarafından ortaya çıkarıldı (Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)
Lityum elektrot levha tasarım formülünün ve elektrot levha kusurlarının performans üzerindeki etkisi
- Kutup film tasarımı temel makalesi
Lityum pil elektrodu, metal sıvıya eşit şekilde uygulanan parçacıklardan oluşan bir kaplamadır. Lityum iyon pil elektrot kaplaması, esas olarak üç bölümden oluşan kompozit bir malzeme olarak kabul edilebilir:
(1) Etkin madde parçacıkları;
(2) iletken maddeyi ve maddeyi oluşturan faz (karbon yapışkan fazı);
(3) Gözenek, elektrolitle doldurun.
Her fazın hacim ilişkisi şu şekilde ifade edilir:
Gözeneklilik + canlı madde hacim oranı + karbon yapışkan faz hacim oranı =1
Lityum pil elektrot tasarımının tasarımı çok önemlidir ve şimdi lityum pil elektrot tasarımının temel bilgileri kısaca tanıtılmaktadır.
(1) Elektrot malzemesinin teorik kapasitesi Elektrot malzemesinin teorik kapasitesi, yani elektrokimyasal reaksiyona katılan malzemedeki tüm lityum iyonları tarafından sağlanan kapasite, değeri aşağıdaki denklemle hesaplanır:
Örneğin, LiFePO4Molar kütlesi 157.756 g/mol'dür ve teorik kapasitesi:
Hesaplanan bu değer sadece teorik gram kapasitesidir. Malzemenin tersinir yapısını sağlamak için, gerçek lityum iyon giderme katsayısı 1'den azdır ve malzemenin gerçek gram kapasitesi:
Malzemenin gerçek gram kapasitesi = lityum iyonun fişini çekme katsayısının teorik kapasitesi
(2) Pil tasarım kapasitesi ve son derece tek taraflı yoğunluk Pil tasarım kapasitesi aşağıdaki formülle hesaplanabilir: pil tasarım kapasitesi = kaplama yüzey yoğunluğu aktif malzeme oranı aktif malzeme gram kapasitesi kutup levha kaplama alanı
Bunlar arasında kaplamanın yüzey yoğunluğu önemli bir tasarım parametresidir. Sıkıştırma yoğunluğu değişmediğinde kaplama yüzey yoğunluğunun artması kutup levha kalınlığının artması, elektron iletim mesafesinin artması ve elektron direncinin artması anlamına gelir ancak artış derecesi sınırlıdır. Kalın elektrot tabakasında, elektrolit içindeki lityum iyonlarının göç empedansının artması, oran özelliklerini etkileyen temel nedendir. Gözeneklilik ve gözenek kıvrımları dikkate alındığında iyonların gözenek içindeki göç mesafesi, kutup tabakasının kalınlığından kat kat fazladır.
(3) Negatif-pozitif kapasite oranının N/P negatif kapasitenin pozitif kapasiteye oranı şu şekilde tanımlanır:
N / P, negatif yan lityum iyonunun kabul kaynağı olmadan çökelmesini önlemek için esas olarak güvenlik tasarımında olan 1.0'dan büyük, genellikle 1.04 ~ 1.20 olmalıdır, tasarım, kaplama sapması gibi işlem kapasitesini dikkate alacak şekilde tasarlanmalıdır. Ancak N/P çok büyük olduğunda pil geri dönüşü olmayan kapasiteyi kaybeder, bu da düşük pil kapasitesi ve daha düşük pil enerji yoğunluğu ile sonuçlanır.
Lityum titanat anot için pozitif elektrot fazlalığı tasarımı benimsenir ve pil kapasitesi, lityum titanat anotun kapasitesine göre belirlenir. Pozitif fazlalık tasarımı, pilin yüksek sıcaklık performansını artırmaya yardımcı olur: yüksek sıcaklıktaki gaz esas olarak negatif elektrottan gelir. Pozitif fazlalık tasarımında negatif potansiyel düşüktür ve lityum titanatın yüzeyinde SEI filmi oluşturmak daha kolaydır.
(4) Kaplamanın sıkıştırma yoğunluğu ve gözenekliliği Üretim sürecinde, akü elektrodunun kaplama sıkıştırma yoğunluğu aşağıdaki formülle hesaplanır. Kutup sacı haddelendiğinde metal folyonun uzadığı dikkate alınırsa, kaplamanın rulo sonrası yüzey yoğunluğu aşağıdaki formülle hesaplanır.
Daha önce de belirtildiği gibi kaplama canlı malzeme fazı, karbon yapışkan fazı ve gözeneklerden oluşur ve gözeneklilik aşağıdaki denklemle hesaplanabilir.
Bunlar arasında ortalama kaplama yoğunluğu şöyledir: lityum pil elektrotu bir tür toz kaplama parçacıklarıdır, çünkü toz parçacık yüzeyi pürüzlü, düzensiz şekil, biriktiğinde parçacıklar ve parçacıklar arasında parçacıklar ve bazı parçacıkların kendisinde çatlaklar ve gözenekler bulunur. toz hacmi de dahil olmak üzere toz hacmi, toz parçacıkları ve parçacıklar arasındaki gözenekler, dolayısıyla karşılık gelen elektrot kaplama yoğunluğu ve gözeneklilik temsili çeşitliliği. Toz parçacıklarının yoğunluğu, birim hacim başına tozun kütlesini ifade eder. Tozun hacmine göre üç türe ayrılır: gerçek yoğunluk, parçacık yoğunluğu ve birikim yoğunluğu. Çeşitli yoğunluklar aşağıdaki şekilde tanımlanır:
- Gerçek yoğunluk, toz kütlesinin, parçacıkların iç ve dış boşlukları hariç hacmine (gerçek hacim) bölünmesiyle elde edilen yoğunluğu ifade eder. Yani, tüm boşlukların hacmi hariç tutulduktan sonra elde edilen maddenin yoğunluğu.
- Parçacık yoğunluğu, toz kütlesinin açık delik ve kapalı delik dahil parçacık hacmine bölünmesiyle elde edilen parçacıkların yoğunluğunu ifade eder. Yani parçacıklar arasındaki boşluk, parçacıkların içindeki ince gözenekler değil, parçacıkların yoğunluğu.
- Birikme yoğunluğu, yani kaplama yoğunluğu, toz kütlesinin, tozun oluşturduğu kaplama hacmine bölünmesiyle elde edilen yoğunluğu ifade eder. Kullanılan hacim, parçacıkların gözeneklerini ve parçacıklar arasındaki boşlukları içerir.
Aynı toz için gerçek yoğunluk>partikül yoğunluğu>paketleme yoğunluğu. Tozun gözenekliliği, toz parçacık kaplamasındaki gözeneklerin oranıdır; yani, toz parçacıkları ile parçacıkların gözenekleri arasındaki boşluğun hacminin, genellikle ifade edilen kaplamanın toplam hacmine oranıdır. yüzde olarak. Tozun gözenekliliği, parçacık morfolojisi, yüzey durumu, parçacık boyutu ve parçacık boyutu dağılımı ile ilgili kapsamlı bir özelliktir. Gözenekliliği, elektrolit ve lityum iyon iletiminin sızmasını doğrudan etkiler. Genel olarak gözeneklilik ne kadar büyük olursa, elektrolit infiltrasyonu o kadar kolay ve lityum iyon iletimi o kadar hızlı olur. Bu nedenle lityum pil tasarımında bazen gözenekliliği belirlemek için yaygın olarak kullanılan cıva basıncı yöntemi, gaz adsorpsiyon yöntemi vb. yoğunluk hesaplaması kullanılarak da elde edilebilir. Hesaplamalar için farklı yoğunluklar kullanıldığında gözenekliliğin farklı sonuçları da olabilir. Canlı maddenin, iletken maddenin ve bağlayıcının gözenekliliğinin yoğunluğu gerçek yoğunluğa göre hesaplandığında, hesaplanan gözeneklilik parçacıklar arasındaki boşluğu ve parçacıkların içindeki boşluğu içerir. Canlı maddenin, iletken maddenin ve bağlayıcının gözenekliliği parçacık yoğunluğuna göre hesaplandığında, hesaplanan gözeneklilik parçacıklar arasındaki boşluğu içerir, ancak parçacıkların içindeki boşluğu içermez. Bu nedenle, lityum pil elektrot tabakasının gözenek boyutu da çok ölçeklidir, genellikle parçacıklar arasındaki boşluk mikron ölçeği boyutundadır, parçacıkların içindeki boşluk ise nanometreden mikron altı ölçeğe kadardır. Gözenekli elektrotlarda etkili yayılma ve iletkenlik gibi taşıma özelliklerinin ilişkisi aşağıdaki denklemle ifade edilebilir:
D0 malzemenin kendisinin içsel difüzyon (iletim) hızını temsil ederken, ε karşılık gelen fazın hacim oranıdır ve τ karşılık gelen fazın dairesel eğriliğidir. Makroskopik homojen modelde, gözenekli elektrotların etkili pozitifliğini tahmin etmek için genellikle ɑ =1.5 katsayısı alınarak Bruggeman ilişkisi kullanılır.
Elektrolit, lityum iyonlarının elektrolit yoluyla iletildiği gözenekli elektrotların gözeneklerine doldurulur ve lityum iyonlarının iletim özellikleri gözeneklilik ile yakından ilişkilidir. Gözeneklilik ne kadar büyük olursa, elektrolit fazının hacim oranı da o kadar yüksek olur ve lityum iyonlarının etkin iletkenliği de o kadar büyük olur. Pozitif elektrot tabakasında, elektronlar karbon yapışkan faz yoluyla iletilir, karbon yapışkan fazın hacim oranı ve karbon yapışkan fazın dolambaçlı yolu, elektronların etkili iletkenliğini doğrudan belirler.
Karbon yapışkan fazın gözenekliliği ve hacim fraksiyonu çelişkilidir ve büyük gözeneklilik kaçınılmaz olarak karbon yapışkan fazın hacim fraksiyonuna yol açar, bu nedenle, Şekil 2'de gösterildiği gibi lityum iyonlarının ve elektronların etkili iletim özellikleri de çelişkilidir. Gözeneklilik azaldıkça lityum iyonunun etkin iletkenliği azalırken elektronun etkin iletkenliği artar. Bu ikisinin nasıl dengeleneceği elektrot tasarımında da kritik öneme sahiptir.
Şekil 2 Gözenekliliğin, lityum iyonunun ve elektron iletkenliğinin şematik diyagramı
2. Kutup kusurlarının tipi ve tespiti
Şu anda, pil direği hazırlama sürecinde, ürünlerin üretim hatalarını etkili bir şekilde tanımlamak, hatalı ürünleri ortadan kaldırmak ve üretim hattına zamanında geri bildirimde bulunmak, üretimde otomatik veya manuel ayarlamalar yapmak için giderek daha fazla çevrimiçi algılama teknolojisi benimseniyor. Kusurlu oranı azaltmak için süreç.
Kutup levhası imalatında yaygın olarak kullanılan çevrimiçi algılama teknolojileri, bulamaç karakteristik algılamayı, kutup levhası kalite algılamayı, boyut algılamayı vb. içerir. Örneğin: (1) çevrimiçi viskozite ölçer, reolojik durumu algılamak için doğrudan kaplama depolama tankına kurulur. Bulamacın gerçek zamanlı özellikleri, Bulamacın stabilitesini test edin; (2) Kaplama işleminde X-ışını veya β-ışınının kullanılması, Yüksek ölçüm doğruluğu, Ancak büyük radyasyon, yüksek ekipman fiyatı ve bakım sorunları; (3) Kutup tabakasının kalınlığını ölçmek için lazer çevrimiçi kalınlık ölçüm teknolojisi uygulanır, Ölçüm doğruluğu ± 1 μ m'ye ulaşabilir, Ayrıca ölçülen kalınlık ve kalınlığın değişim eğilimini gerçek zamanlı olarak görüntüleyebilir, Veri izlenebilirliğini kolaylaştırır ve analiz; (0) CCD görüş teknolojisi, yani çizgi dizisi CCD, ölçülen nesneyi taramak, Gerçek zamanlı görüntü işleme ve kusur kategorilerinin analizi, Kutup levha yüzey kusurlarının tahribatsız çevrimiçi tespitini gerçekleştirmek için kullanılır.
Bir kalite kontrol aracı olarak çevrimiçi test teknolojisi, yarı mamul ürünler için nitelikli / niteliksiz kriterleri belirlemek amacıyla kusurlar ve pil performansı arasındaki ilişkiyi anlamak için de gereklidir.
İkinci bölümde, lityum iyon pilin yeni yüzey kusur tespit teknolojisi yöntemi, kızılötesi termal görüntüleme teknolojisi ve bu farklı kusurlar ile elektrokimyasal performans arasındaki ilişki kısaca tanıtılmaktadır. D. Mohanty'ye danışın. Mohanty ve diğerleri tarafından yapılan kapsamlı bir çalışma.
(1) Kutup levha yüzeyindeki yaygın kusurlar
Şekil 3, lityum iyon pil elektrotunun yüzeyindeki yaygın kusurları, soldaki optik görüntü ve sağdaki termal görüntüleme cihazı tarafından yakalanan görüntü ile göstermektedir.
Şekil 3 Direk levhasının yüzeyindeki yaygın kusurlar: (a, b) çıkıntı zarfı / agrega; (c, d) düşen malzeme / iğne deliği; (e, f) metal yabancı cisim; (g, h) düzgün olmayan kaplama
(A, b) yükseltilmiş şişkinlik/agrega, bu tür kusurlar, bulamacın eşit şekilde karıştırılması veya kaplama hızının dengesiz olması durumunda meydana gelebilir. Yapışkan ve karbon siyahı iletken maddelerin birikmesi, aktif bileşenlerin düşük içeriğine ve polar tabletlerin hafif olmasına yol açar.
(c, d) damla / iğne deliği, bu kusurlu alanlar kaplanmamıştır ve genellikle bulamaçtaki kabarcıklar tarafından üretilir. Aktif madde miktarını azaltırlar ve toplayıcıyı elektrolite maruz bırakırlar, böylece elektrokimyasal kapasiteyi azaltırlar.
(E, f) ekipmana ve ortama giren metal yabancı cisimler, çamur veya metal yabancı cisimler ve metal yabancı cisimler lityum pillere büyük zarar verebilir. Büyük metal parçacıkları doğrudan diyaframa etki ederek pozitif ve negatif elektrotlar arasında fiziksel bir kısa devre olan kısa devreye neden olur. Ek olarak, metal yabancı cisim pozitif elektroda karıştırıldığında, şarjdan sonra pozitif potansiyel artar, metal çözülür, elektrolit boyunca yayılır ve ardından negatif yüzeyde çökelir ve son olarak diyaframı delerek kısa devre oluşturur, bu bir kimyasal çözünme kısa devresidir. Akü fabrikası sahasında en yaygın metal yabancı cisimler Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS vb.'dir.
(g, h) Bulamaç karışımının yeterli olmaması gibi düzensiz kaplama, parçacık büyük olduğunda parçacık inceliğinin şeritler halinde görünmesi kolaydır, bu da pil kapasitesinin tutarlılığını etkileyecek ve hatta tamamen görünecek şekilde eşit olmayan kaplamaya neden olur. Kaplama şeridi olmaması, kapasite ve güvenlik üzerinde etkiye sahiptir.
(2) Kutup çipi yüzeyi kusur tespit teknolojisi Kızılötesi (IR) termal görüntüleme teknolojisi, kuru elektrotlar üzerinde lityum iyon pillerin performansına zarar verebilecek küçük kusurları tespit etmek için kullanılır. Çevrimiçi tespit sırasında, elektrot kusuru veya kirletici madde tespit edilirse, bunu kutup levhasında işaretleyin, sonraki süreçte ortadan kaldırın ve üretim hattına geri bildirimde bulunun ve kusurları ortadan kaldırmak için süreci zamanında ayarlayın. Kızılötesi ışın, radyo dalgaları ve görünür ışıkla aynı yapıya sahip bir tür elektromanyetik dalgadır. Bir nesnenin yüzeyindeki sıcaklık dağılımını insan gözünün görebileceği görüntüye dönüştüren ve bir nesnenin yüzeyinin sıcaklık dağılımını farklı renklerde görüntüleyen özel bir elektronik cihaza kızılötesi termal görüntüleme teknolojisi denir. Bu elektronik cihaza kızılötesi termal görüntüleme cihazı denir. Mutlak sıfırın (-273°C) üzerindeki tüm nesneler kızılötesi radyasyon yayar.
Şekil 4'te gösterildiği gibi, kızılötesi termal yaklaşım cihazı (IR Kamera), ölçülen hedef nesnenin kızılötesi radyasyon enerji dağılım modelini kabul etmek ve bunu kızılötesi dedektörün ışığa duyarlı elemanına yansıtmak için kızılötesi dedektörü ve optik görüntüleme hedefini kullanır. Nesnenin yüzeyindeki termal dağıtım alanına karşılık gelen kızılötesi termal görüntü. Bir cismin yüzeyinde bir kusur oluştuğunda o bölgedeki sıcaklık değişir. Dolayısıyla bu teknoloji, özellikle optik algılama araçlarıyla ayırt edilemeyen bazı kusurlar için uygun olan, nesnenin yüzeyindeki kusurların tespitinde de kullanılabilir. Lityum iyon pilin kuruyan elektrodu çevrimiçi olarak tespit edildiğinde, elektrot elektrodu önce flaşla ışınlanır, yüzey sıcaklığı değişir ve ardından termal görüntüleme cihazı ile yüzey sıcaklığı tespit edilir. Isı dağılımı görüntüsü görselleştirilir ve yüzey kusurlarını tespit etmek ve zamanında işaretlemek için görüntü gerçek zamanlı olarak işlenir ve analiz edilir. Mohanty Çalışma, elektrot levha yüzeyinin sıcaklık dağılımı görüntüsünü tespit etmek için kaplayıcı kurutma fırınının çıkışına bir termal görüntüleme cihazı yerleştirdi.
Şekil 5(a), çıplak gözle ayırt edilemeyecek kadar küçük bir kusur içeren, termal görüntüleme cihazı tarafından tespit edilen NMC pozitif kutuplu levhanın kaplama yüzeyinin sıcaklık dağılım haritasıdır. Rota segmentine karşılık gelen sıcaklık dağılım eğrisi, kusur noktasındaki sıcaklık artışıyla birlikte dahili ekte gösterilmiştir. Şekil 5(b)'de, kutup levha yüzeyindeki kusura karşılık gelen ilgili kutuda sıcaklık yerel olarak artmaktadır. İNCİR. Şekil 6, kusurların varlığını gösteren negatif elektrot tabakasının bir yüzey sıcaklığı dağılım diyagramıdır; burada sıcaklık artışlarının zirvesi kabarcık veya agregaya karşılık gelir ve sıcaklık düşüşleri alanı iğne deliğine veya damlaya karşılık gelir.
Şekil 5 Pozitif elektrot levha yüzeyinin sıcaklık dağılımı
Şekil 6 Negatif elektrot yüzeyinin sıcaklık dağılımı
Sıcaklık dağılımının termal görüntülemeyle tespit edilmesinin, kutup levhası imalatının kalite kontrolünde kullanılabilecek, kutup levhası yüzey kusurunun tespiti için iyi bir araç olduğu görülebilir.3. Kutup levhası yüzey kusurlarının akü performansına etkisi
(1) Pil çarpan kapasitesi ve Coulomb verimliliği üzerindeki etki
Şekil 7, agrega ve iğne deliğinin pil çarpan kapasitesi ve coulen verimliliği üzerindeki etki eğrisini göstermektedir. Agrega aslında pil kapasitesini artırabilir, ancak coulen verimliliğini azaltabilir. İğne deliği pil kapasitesini ve Kulun verimliliğini azaltır ve Kulun verimliliği yüksek oranda büyük ölçüde azalır.
Şekil 7 katot agregatının ve iğne deliğinin pil kapasitesi üzerindeki etkisi ve şekil 8'in verimliliği düzensiz kaplamadır ve metal yabancı cisim Co ve Al'nin pil kapasitesi üzerindeki etkisi ve verimlilik eğrisinin etkisi, eşit olmayan kaplama pil ünitesi kütle kapasitesini %10 azaltır - %20, ancak tüm pil kapasitesi %60 azaldı, bu da kutup parçasındaki canlı kütlenin önemli ölçüde azaldığını gösteriyor. Metal Co yabancı cisim kapasitesi ve Coulomb verimini azalttı, 2C ve 5C yüksek büyütmede bile kapasite yok, bu durum gömülü lityum ve lityumun elektrokimyasal reaksiyonunda metal Co oluşumundan kaynaklanabilir veya metal parçacıkları olabilir Diyafram gözeneğinin tıkanması mikro kısa devreye neden oldu.
Şekil 8 Pozitif elektrot düzensiz kaplamasının ve metal yabancı cisimlerin Co ve Al'in pil çarpan kapasitesi ve coulen verimliliği üzerindeki etkileri
Katot tabakası kusurlarının özeti: Katot tabakası kaplamasındaki alevler pilin Coulomb verimliliğini azaltır. Pozitif kaplamanın iğne deliği Coulomb verimliliğini azaltır, bu da özellikle yüksek akım yoğunluğunda zayıf çarpan performansına neden olur. Heterojen kaplama zayıf büyütme performansı gösterdi. Metal parçacık kirleticileri mikro kısa devrelere neden olabilir ve bu nedenle pil kapasitesini büyük ölçüde azaltabilir.
Şekil 9, negatif sızıntı folyo şeridinin pilin çarpan kapasitesi ve Kulun verimliliği üzerindeki etkisini göstermektedir. Negatif elektrotta sızıntı meydana geldiğinde pilin kapasitesi önemli ölçüde azalır, ancak gram kapasitesi belirgin değildir ve Kulun verimliliği üzerindeki etkisi önemli değildir.
Şekil 9 Negatif elektrot sızıntısı folyo şeridinin pil çarpan kapasitesi ve Kulun verimliliği üzerindeki etkisi (2) Pil çarpan döngüsü performansı üzerindeki etkisi Şekil 10, elektrot yüzey kusurunun pil çarpan döngüsü üzerindeki etkisinin sonucudur. Etki sonuçları aşağıdaki şekilde özetlenmiştir:
Egregasyon: 2C döngüsünde 200 döngünün kapasite bakım oranı %70, arızalı akü %12 iken, 5C döngüsünde 200 döngünün kapasite bakım oranı %50, arızalı akü %14'tür.
İğne deliği: Kapasite zayıflaması açıktır, ancak hiçbir toplu kusur zayıflaması hızlı değildir ve 200 döngü 2C ve 5C'nin kapasite bakım oranı sırasıyla %47 ve %40'tır.
Metal yabancı cisim: Metal Co yabancı cismin kapasitesi birkaç döngüden sonra neredeyse 0 olur ve metal yabancı cisim Al folyonun 5C çevrim kapasitesi önemli ölçüde azalır.
Sızıntı şeridi: Aynı sızıntı alanı için, birden fazla küçük şeridin pil kapasitesi, daha büyük bir şeritten daha hızlı azalır (47C'de 200 döngü için %5) (7C'de 200 döngü için %5). Bu, şerit sayısı arttıkça pil döngüsü üzerindeki etkinin de arttığını gösterir.
Şekil 10 Elektrot tabakası yüzey kusurlarının hücre hızı döngüsü üzerindeki etkisi
Ref.: [1] Yarık kalıpla kaplanmış lityum ikincil pil elektrotlarının hat içi lazer kumpas ve IR termografi yöntemleriyle tahribatsız değerlendirilmesi [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Etki Lityum-iyon pillerin elektrokimyasal performansı üzerindeki elektrot üretim kusurlarının etkisi: Pil arıza kaynaklarının bilinmesi[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.
