Odhalenie tajomstva: Super teoretická kapacita lítium-iónových batérií

Prečo lítiová batéria existuje fenomén super teoretickej kapacity

V lítium-iónových batériách (LIB) mnohé elektródy na báze oxidu prechodných kovov vykazujú nezvyčajne vysokú akumulačnú kapacitu nad ich teoretickú hodnotu. Hoci tento jav bol široko hlásený, základné fyzikálno-chemické mechanizmy v týchto materiáloch zostávajú nepolapiteľné a zostávajú predmetom diskusie.

Profil výsledkov

Nedávno profesor Miao Guoxing z University of Waterloo v Kanade, profesor Yu Guihua z University of Texas v Austine a Li Hongsen a Li Qiang z univerzity Qingdao spoločne publikovali výskumnú prácu o prírodných materiáloch pod názvom „Extra storage capacity in lítium-iónové batérie z oxidu prechodného kovu odhalené in situ magnetometriou“. V tejto práci autori použili magnetické monitorovanie in situ na preukázanie prítomnosti silnej povrchovej kapacity na kovových nanočasticiach a toho, že veľké množstvo spinovo polarizovaných elektrónov môže byť uložené v už redukovaných kovových nanočasticiach, čo je v súlade s mechanizmom priestorového náboja. Okrem toho môže byť odhalený mechanizmus priestorového náboja rozšírený na iné zlúčeniny prechodných kovov, čo poskytuje kľúčový návod na vytvorenie pokročilých systémov na skladovanie energie.

Významné poznatky výskumu

(1) Typické Fe bolo študované pomocou in-situ magnetickej monitorovacej techniky3O4/ Vývoj elektronickej štruktúry vo vnútri Li batérie;

(2) ukazuje, že Fe3O4 V systéme / Li je kapacita povrchového náboja hlavným zdrojom dodatočnej kapacity;

(3) Mechanizmus povrchovej kapacity kovových nanočastíc možno rozšíriť na širokú škálu zlúčenín prechodných kovov.

Text a textový sprievodca

1. Štrukturálna charakterizácia a elektrochemické vlastnosti

Monodisperzné duté Fe sa syntetizovalo konvenčnými hydrotermálnymi metódami3O4Nanospheres a potom sa uskutočnilo pri 100 mAg-1 nabíjanie a vybíjanie pri prúdovej hustote (obrázok 1a), prvá výbojová kapacita je 1718 mAh g-1, 1370 mAhg v druhom a treťom prípade - 1A 1,364 1 mAhg-926, ďaleko viac ako 1 mAhg-1Teória očakávaní. Snímky BF-STEM úplne vybitého produktu (obrázok 3b-c) naznačujú, že po redukcii lítia sa nanosféry Fe4O1The premenili na menšie nanočastice Fe s rozmermi asi 3 – 2 nm, rozptýlené v strede LiXNUMXO.

Na demonštráciu zmeny magnetizmu počas elektrochemického cyklu sa získala magnetizačná krivka po úplnom vybití na 0.01, 1 V (obrázok XNUMXd), ktorá ukazuje superparamagnetické správanie v dôsledku tvorby nanočastíc.

Obrázok 1 (a) pri 100 mAg-1Fe cyklovania pri prúdovej hustote3O4/ Konštantná prúdová krivka nabíjania a vybíjania Li batérie; (b) úplne lítium Fe3O4 Obrázok elektródy BF-STEM; (c) prítomnosť Li v súhrnných 2 BF-STEM snímkach s vysokým rozlíšením O aj Fe; (d) Fe3O4 Hysterézne krivky elektródy pred (čierna) a po (modrá) a Langevinova krivka elektródy (fialová).

2. Detekcia štrukturálneho a magnetického vývoja v reálnom čase

Aby sa spojila elektrochémia so štrukturálnymi a magnetickými zmenami spojenými s Fe3O4, boli elektródy podrobené in situ röntgenovej difrakcii (XRD) a in situ magnetickému monitorovaniu. Fe v sérii XRD difrakčných vzorov počas počiatočného výboja z napätia na otvorenom okruhu (OCV) na 3 V4O1.2 Difrakčné píky sa významne nezmenili ani v intenzite, ani v polohe (obrázok 3a), čo naznačuje, že Fe4O2 Only zažil proces interkalácie Li. Po nabití na 3V zostáva antispinelová štruktúra Fe4O3 nedotknutá, čo naznačuje, že proces v tomto napäťovom okne je vysoko reverzibilný. Uskutočnilo sa ďalšie magnetické monitorovanie in situ v kombinácii s testami nabíjania a vybíjania s konštantným prúdom, aby sa zistilo, ako sa magnetizácia vyvíja v reálnom čase (obrázok 3b).

Obrázok 2 Charakterizácia in situ XRD a magnetického monitorovania. (A) in situ XRD; (b) Elektrochemická krivka náboja a vybíjania Fe3O4 pod 3 T aplikovaným magnetickým poľom a zodpovedajúcou reverzibilnou in situ magnetickou odozvou.

Na získanie základnejšieho pochopenia tohto procesu konverzie z hľadiska zmien magnetizácie sa magnetická odozva zhromažďuje v reálnom čase a zodpovedajúci fázový prechod sprevádzajúci elektrochemicky riadené reakcie (obrázok 3). Je celkom jasné, že pri prvom výboji Fe3O4. Magnetizačná odozva elektród sa líši od ostatných cyklov v dôsledku Fe pri prvej litalizácii3O4V dôsledku nevratného fázového prechodu. Keď potenciál klesol na 0.78 V, antispinelová fáza Fe3O4 bola prevedená tak, aby obsahovala Li2 Halitová štruktúra FeO triedy O, Fe3O4 Fáza sa po nabití nedá obnoviť. V súlade s tým magnetizácia rýchlo klesá na 0.482 μb Fe-1. Ako prebieha litiácia, nevytvorila sa žiadna nová fáza a intenzita difrakčných píkov FeO triedy (200) a (220) začala slabnúť. Rovnaký Fe3O4 Keď je elektróda úplne lializovaná, nezachová sa žiadny významný pík XRD (obrázok 3a). Všimnite si, že keď sa elektróda Fe3O4 vybíja z 0.78, 0.45 V na 0.482, 1 V, magnetizácia (z 1.266, 1 μ b Fe-1.132 sa zvýšila na 1, 0 μ bFe-XNUMX), čo bolo pripísané konverznej reakcii z FeO na Fe. Potom sa na konci výboja magnetizácia pomaly znížila na XNUMX, XNUMX μ B Fe−XNUMX. Toto zistenie naznačuje, že plne redukované kovové nanočastice FeO sa môžu stále zúčastňovať na reakcii skladovania lítia, čím sa znižuje magnetizácia elektród.

Obrázok 3 In situ pozorovania fázového prechodu a magnetickej odozvy.（a）Fe3O4In situ XRD mapa zozbieraná počas prvého vybitia elektródy; (b) Fe3O4 In situ meranie magnetickej sily elektrochemických cyklov / Li článkov pri aplikovanom magnetickom poli 3 T.

3. Fe0/Li2Povrchová kapacita O systému

Fe3O4 Magnetické zmeny elektród sa vyskytujú pri nízkych napätiach, pri ktorých sa s najväčšou pravdepodobnosťou vytvára dodatočná elektrochemická kapacita, čo naznačuje prítomnosť neobjavených nosičov náboja v článku. Aby sa preskúmal potenciálny mechanizmus ukladania lítia, Fe sa študovalo pomocou XPS, STEM a magnetického výkonnostného spektra3O4Elektródy magnetizačných vrcholov pri 0.01V, 0.45V a 1.4V, aby sa určil zdroj magnetickej zmeny. Výsledky ukazujú, že magnetický moment je kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim magnetickú zmenu, pretože namerané Fe0/Li2The Ms systému O nie sú ovplyvnené magnetickou anizotropiou a medzičasticovou väzbou.

Aby sme lepšie pochopili kinetické vlastnosti elektród pri nízkom napätí, cyklická voltametria pri rôznych rýchlostiach skenovania. Ako je znázornené na obrázku 3a, krivka pravouhlého cyklického voltamogramu sa objavuje v rozsahu napätia medzi 4 V a 4 V (obrázok 0.01a). Obrázok 1b ukazuje, že na elektróde došlo ku kapacitnej odozve Fe4O4A. S vysoko reverzibilnou magnetickou odozvou procesu nabíjania a vybíjania konštantným prúdom (obrázok 3c) sa magnetizácia elektródy počas procesu vybíjania znížila z 4 V na 4 V a znova sa zvýšila počas procesu nabíjania, čo naznačuje, že Fe1O z kondenzátora povrchová reakcia je vysoko reverzibilná.

Obrázok 4 elektrochemické vlastnosti a in situ magnetická charakterizácia pri 0.011 V. (A) Cyklická voltametrická krivka. (B) hodnota b je určená pomocou korelácie medzi špičkovým prúdom a rýchlosťou skenovania; (c) reverzibilná zmena magnetizácie vo vzťahu ku krivke náboja a vybíjania pod magnetickým poľom 5 T.

vyššie uvedené Fe3O4 Elektrochemické, štrukturálne a magnetické vlastnosti elektród naznačujú, že dodatočná kapacita batérie je určená Fe0. Spinovo polarizovaná povrchová kapacita nanočastíc je spôsobená sprievodnými magnetickými zmenami. Spinovo polarizovaná kapacita je výsledkom spinovo polarizovanej akumulácie náboja na rozhraní a môže vykazovať magnetickú odozvu počas nabíjania a vybíjania. na Fe3O4 Základná elektróda bola počas prvého procesu vybíjania rozptýlená v nanočasticiach Li2Fine Fe v O substráte. veľké pomery povrchu k objemu a realizujú vysokú hustotu stavov na úrovni Fermi v dôsledku vysoko lokalizovaných d orbitálov. Podľa Maierovho teoretického modelu priestorového ukladania náboja autori navrhujú, že veľké množstvo elektrónov možno uložiť do spinových deliacich pásov kovových nanočastíc Fe, ktoré možno nájsť vo Fe / Li2Creating spin-polarizovaných povrchových kondenzátoroch v O nanokompozitoch ( Obrázok 5).

graf 5Fe/Li2A Schematické znázornenie povrchovej kapacity spinovo polarizovaných elektrónov na O-rozhraní.(A) schematický diagram hustoty stavu spinovej polarizácie povrchu feromagnetických kovových častíc (pred a po výboji), na rozdiel od hromadná spinová polarizácia železa; (b) vytvorenie oblasti priestorového náboja v modeli povrchového kondenzátora nadmerne uskladneného lítia.

Zhrnutie a Outlook

TM / Li bola skúmaná pokročilým in-situ magnetickým monitorovaním2 Vývoj vnútornej elektronickej štruktúry O nanokompozitu s cieľom odhaliť zdroj dodatočnej úložnej kapacity pre túto lítium-iónovú batériu. Výsledky ukazujú, že v modelovom bunkovom systéme Fe3O4 / Li môžu elektrochemicky redukované nanočastice Fe uchovávať veľké množstvo spinovo polarizovaných elektrónov, čo je výsledkom nadmernej kapacity bunky a výrazne zmeneného medzifázového magnetizmu. Experimenty ďalej potvrdili CoO, NiO a FeF2 And Fe2 Prítomnosť takejto kapacity v N elektródovom materiáli naznačuje existenciu spinovo polarizovanej povrchovej kapacity kovových nanočastíc v lítium-iónových batériách a kladie základ pre aplikáciu tohto mechanizmu priestorového ukladania náboja v inom prechode. elektródové materiály na báze kovových zlúčenín.

Odkaz na literatúru

Extra úložná kapacita v lítium-iónových batériách s oxidom prechodného kovu odhalená in situ magnetometriou (Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

Vplyv konštrukčného vzorca lítiovej elektródovej dosky a defektov elektródovej dosky na výkon

1. Základný článok o dizajne tyčového filmu

Elektróda lítiovej batérie je povlak zložený z častíc, rovnomerne nanesených na kovovú tekutinu. Povlak elektród lítium-iónovej batérie možno považovať za kompozitný materiál, ktorý sa skladá hlavne z troch častí:

(1) častice účinnej látky;

(2) základná fáza vodivého činidla a činidla (uhlíková adhezívna fáza);

(3) Pór, naplňte elektrolytom.

Objemový vzťah každej fázy je vyjadrený ako:

Pórovitosť + objemový podiel živej hmoty + objemový podiel uhlíkovej adhezívnej fázy =1

Konštrukcia konštrukcie elektród lítiovej batérie je veľmi dôležitá a teraz sú stručne predstavené základné znalosti o konštrukcii elektród lítiovej batérie.

(1) Teoretická kapacita materiálu elektród Teoretická kapacita materiálu elektródy, t. j. kapacita poskytovaná všetkými iónmi lítia v materiáli zapojenom do elektrochemickej reakcie, jej hodnota sa vypočíta podľa nasledujúcej rovnice:

Napríklad molárna hmotnosť LiFePO4 je 157.756 g/mol a jeho teoretická kapacita je:

Táto vypočítaná hodnota je len teoretická gramová kapacita. Aby sa zabezpečila reverzibilná štruktúra materiálu, skutočný koeficient odstraňovania lítnych iónov je menší ako 1 a skutočná gramová kapacita materiálu je:

Skutočná gramová kapacita materiálu = teoretická kapacita lítium-iónového odpojovacieho koeficientu

(2) Konštrukčná kapacita batérie a extrémne jednostranná hustota Konštrukčnú kapacitu batérie možno vypočítať podľa nasledujúceho vzorca: Konštrukčná kapacita batérie = povrchová hustota povlaku Pomer aktívneho materiálu Aktívny materiál Gramová kapacita pólového plechu Plocha povlaku

Medzi nimi je povrchová hustota povlaku kľúčovým konštrukčným parametrom. Keď sa hustota zhutnenia nezmení, zvýšenie hustoty povrchu povlaku znamená, že sa zvýši hrúbka pólového plechu, zväčší sa vzdialenosť prenosu elektrónov a zvýši sa odpor elektrónov, ale stupeň zvýšenia je obmedzený. V hrubom elektródovom plechu je hlavným dôvodom ovplyvňujúcim pomerové charakteristiky zvýšenie migračnej impedancie lítiových iónov v elektrolyte. Vzhľadom na pórovitosť a zákruty pórov je migračná vzdialenosť iónov v póroch mnohonásobne väčšia ako hrúbka pólového listu.

(3) Pomer zápornej a kladnej kapacity N/P zápornej kapacity k kladnej kapacite je definovaný ako:

N / P by mala byť väčšia ako 1.0, vo všeobecnosti 1.04 ~ 1.20, čo je hlavne v bezpečnostnom dizajne, aby sa zabránilo zrážaniu záporných iónov lítia bez akceptačného zdroja, pri návrhu sa zohľadňuje kapacita procesu, ako je odchýlka povlaku. Ak je však N / P príliš veľký, batéria nezvratne stratí kapacitu, čo bude mať za následok nízku kapacitu batérie a nižšiu hustotu energie batérie.

Pre anódu lítium titaničitanu je prijatá konštrukcia prebytku kladnej elektródy a kapacita batérie je určená kapacitou anódy lítium titaničitanu. Dizajn kladného prebytku prispieva k zlepšeniu výkonu batérie pri vysokej teplote: plyn s vysokou teplotou pochádza hlavne zo zápornej elektródy. V dizajne s pozitívnym prebytkom je negatívny potenciál nízky a na povrchu titaničitanu lítneho je ľahšie vytvoriť film SEI.

(4) Hustota zhutnenia a pórovitosť povlaku Vo výrobnom procese sa hustota zhutnenia povlaku elektródy batérie vypočíta podľa nasledujúceho vzorca. Vzhľadom na to, že pri valcovaní pólového plechu sa kovová fólia predĺži, povrchová hustota povlaku po valci sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca.

Ako už bolo spomenuté, povlak pozostáva z fázy živého materiálu, uhlíkovej adhezívnej fázy a pórov a pórovitosť možno vypočítať podľa nasledujúcej rovnice.

Medzi nimi je priemerná hustota povlaku: elektróda lítiovej batérie je druh práškových častíc povlaku, pretože povrch práškových častíc je hrubý, nepravidelný tvar, keď sa hromadí, častice medzi časticami a časticami a niektoré častice samotné majú trhliny a póry, takže objem prášku vrátane objemu prášku, póry medzi časticami prášku a časticami, teda zodpovedajúca rozmanitosť hustoty elektródového povlaku a zastúpenia pórovitosti. Hustota práškových častíc sa vzťahuje na hmotnosť prášku na jednotku objemu. Podľa objemu prášku sa delí na tri druhy: skutočná hustota, hustota častíc a hustota akumulácie. Rôzne hustoty sú definované takto:

1. Skutočná hustota sa vzťahuje na hustotu získanú vydelením hmotnosti prášku objemom (skutočný objem) bez vnútorných a vonkajších medzier častíc. To znamená, že hustota samotnej hmoty získaná po vylúčení objemu všetkých dutín.
2. Hustota častíc sa vzťahuje na hustotu častíc získanú vydelením hmotnosti prášku delenou objemom častíc vrátane otvoreného otvoru a uzavretého otvoru. To znamená, že medzera medzi časticami, ale nie jemné póry vo vnútri častíc, hustota samotných častíc.
3. Akumulačná hustota, to znamená hustota povlaku, sa vzťahuje na hustotu získanú hmotou prášku vydelenú objemom povlaku vytvoreného práškom. Použitý objem zahŕňa póry samotných častíc a dutiny medzi časticami.

Pre rovnaký prášok skutočná hustota> hustota častíc> hustota balenia. Pórovitosť prášku je pomer pórov v povlaku práškových častíc, to znamená pomer objemu dutiny medzi časticami prášku a pórov častíc k celkovému objemu povlaku, ktorý sa bežne vyjadruje. v percentách. Pórovitosť prášku je komplexná vlastnosť súvisiaca s morfológiou častíc, stavom povrchu, veľkosťou častíc a distribúciou veľkosti častíc. Jeho pórovitosť priamo ovplyvňuje infiltráciu elektrolytu a prenos lítium-iónových iónov. Vo všeobecnosti platí, že čím väčšia je pórovitosť, tým ľahšia je infiltrácia elektrolytu a rýchlejší prenos lítium-iónových iónov. Preto sa pri navrhovaní lítiovej batérie niekedy na určenie pórovitosti používa bežne používaná metóda tlaku ortuti, metóda adsorpcie plynu atď. Dá sa tiež získať pomocou výpočtu hustoty. Pórovitosť môže mať tiež rôzne dôsledky pri použití rôznych hustôt na výpočty. Keď sa hustota pórovitosti živej látky, vodivého činidla a spojiva vypočíta podľa skutočnej hustoty, vypočítaná pórovitosť zahŕňa medzeru medzi časticami a medzeru vo vnútri častíc. Keď sa pórovitosť živej látky, vodivého činidla a spojiva vypočíta podľa hustoty častíc, vypočítaná pórovitosť zahŕňa medzeru medzi časticami, ale nie medzeru vo vnútri častíc. Preto je veľkosť pórov elektródového listu lítiovej batérie tiež viacrozmerná, vo všeobecnosti je medzera medzi časticami vo veľkosti mikrónov, zatiaľ čo medzera vo vnútri častíc je v mierke nanometrov až submikrónov. V poréznych elektródach možno vzťah transportných vlastností, ako je efektívna difúzivita a vodivosť, vyjadriť nasledujúcou rovnicou:

Kde D0 predstavuje vlastnú rýchlosť difúzie (vodivosti) samotného materiálu, ε je objemový podiel zodpovedajúcej fázy a τ je obvodové zakrivenie zodpovedajúcej fázy. V makroskopickom homogénnom modeli sa všeobecne používa Bruggemanov vzťah, pričom koeficient ɑ = 1.5 sa používa na odhad efektívnej pozitivity poréznych elektród.

Elektrolyt je vyplnený v póroch poréznych elektród, v ktorých sú lítiové ióny vedené cez elektrolyt a vodivosť lítiových iónov úzko súvisí s pórovitosťou. Čím väčšia je pórovitosť, tým vyšší je objemový podiel elektrolytovej fázy a tým väčšia je efektívna vodivosť lítiových iónov. V kladnej elektródovej vrstve sa elektróny prenášajú cez uhlíkovú adhezívnu fázu, objemový podiel uhlíkovej adhezívnej fázy a obchádzka uhlíkovej adhezívnej fázy priamo určujú efektívnu vodivosť elektrónov.

Pórovitosť a objemová frakcia uhlíkovej adhezívnej fázy sú protichodné a veľká pórovitosť nevyhnutne vedie k objemovej frakcii uhlíkovej adhezívnej fázy, preto sú účinné vodivé vlastnosti lítiových iónov a elektrónov tiež protichodné, ako je znázornené na obrázku 2. Keď sa pórovitosť znižuje, efektívna vodivosť lítnych iónov sa znižuje, zatiaľ čo efektívna vodivosť elektrónov sa zvyšuje. Ako vyvážiť tieto dve veci je tiež dôležité pri konštrukcii elektródy.

Obrázok 2 Schematický diagram pórovitosti a vodivosti lítnych iónov a elektrónov

2. Typ a detekcia defektov pólov

 

V súčasnosti sa v procese prípravy pólov batérie prijíma čoraz viac online detekčných technológií, aby bolo možné efektívne identifikovať výrobné chyby výrobkov, odstrániť chybné výrobky a včasnú spätnú väzbu na výrobnú linku, automatické alebo manuálne úpravy výroby. procesu, aby sa znížila chybovosť.

On-line detekčné technológie bežne používané pri výrobe pólových plechov zahŕňajú detekciu charakteristík kalu, detekciu kvality pólového plechu, detekciu rozmerov atď. charakteristiky kalu v reálnom čase, Test stability kalu; (1) Použitie röntgenového alebo β-lúča v procese poťahovania, jeho vysoká presnosť merania, ale veľké žiarenie, vysoká cena zariadenia a problémy s údržbou; (2) Laserová online technológia merania hrúbky sa používa na meranie hrúbky pólového plechu, presnosť merania môže dosiahnuť ± 3, 1 μm, môže tiež zobraziť trend zmeny meranej hrúbky a hrúbky v reálnom čase, uľahčiť sledovateľnosť údajov a analýzy; (0) Technológia CCD videnia, to znamená, že líniové pole CCD sa používa na skenovanie meraného objektu, spracovanie obrazu v reálnom čase a analýza kategórií defektov, realizácia nedeštruktívnej online detekcie defektov povrchu pólového listu.

Ako nástroj kontroly kvality je technológia online testovania tiež nevyhnutná na pochopenie korelácie medzi chybami a výkonom batérie, aby bolo možné určiť kvalifikované / nekvalifikované kritériá pre polotovary.

V druhej časti je stručne predstavená nová metóda technológie detekcie povrchových defektov lítium-iónovej batérie, technológia infračerveného tepelného zobrazovania a vzťah medzi týmito rôznymi defektmi a elektrochemickým výkonom. konzultovať D. Mohanty Dôkladná štúdia Mohantyho a kol.

(1) Bežné chyby na povrchu pólového plechu

Obrázok 3 zobrazuje bežné defekty na povrchu elektródy lítium-iónovej batérie, pričom optický obraz je vľavo a obraz zachytený termokamerou je vpravo.

Obrázok 3 Bežné chyby na povrchu pólového plechu: (a, b) obal vydutia / agregát; (c, d) materiál kvapky / dierka; (e, f) kovové cudzie teleso; (g, h) nerovnomerný povlak

 

(A, b) vyvýšené vydutie / agregáty, takéto defekty sa môžu vyskytnúť, ak je kaša rovnomerne miešaná alebo je rýchlosť nanášania nestabilná. Zhlukovanie adhezívnych a sadzí vodivých činidiel vedie k nízkemu obsahu účinných látok a nízkej hmotnosti polárnych tabliet.

 

(c, d) kvapka / dierka, tieto chybné oblasti nie sú potiahnuté a sú zvyčajne vytvárané bublinami v suspenzii. Znižujú množstvo aktívneho materiálu a vystavujú kolektor elektrolytu, čím znižujú elektrochemickú kapacitu.

 

(E, f) kovové cudzie telesá, kal alebo kovové cudzie telesá vniknuté do zariadenia a prostredia a kovové cudzie telesá môžu spôsobiť veľké škody lítiovým batériám. Veľké kovové častice priamo poškodzujú membránu, čo vedie ku skratu medzi kladnou a zápornou elektródou, čo je fyzický skrat. Okrem toho, keď sa kovové cudzie teleso primieša do kladnej elektródy, kladný potenciál sa po nabití zvýši, kov sa rozloží, rozšíri sa cez elektrolyt a potom sa vyzráža na negatívnom povrchu a nakoniec prepichne membránu, čím sa vytvorí skrat, čo je chemický rozpúšťací skrat. Najbežnejšie kovové cudzie telesá v továrni na batérie sú Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS atď.

 

(g, h) nerovnomerný povlak, ako napríklad miešanie suspenzie, nie je dostatočné, na jemnosti častíc sa ľahko objavia pruhy, keď sú častice veľké, čo vedie k nerovnomernému povlaku, ktorý ovplyvní konzistenciu kapacity batérie a dokonca sa objaví úplne žiadny povlakový pás, má vplyv na kapacitu a bezpečnosť.

(2) Technológia detekcie povrchových defektov čipu pólu Technológia infračerveného (IR) tepelného zobrazovania sa používa na detekciu menších defektov na suchých elektródach, ktoré môžu poškodiť výkon lítium-iónových batérií. Počas online detekcie, ak sa zistí defekt elektródy alebo znečisťujúca látka, označte ju na pólovom plechu, odstráňte ju v následnom procese a odošlite spätnú väzbu na výrobnú linku a upravte proces včas na odstránenie defektov. Infračervený lúč je druh elektromagnetického vlnenia, ktoré má rovnakú povahu ako rádiové vlny a viditeľné svetlo. Špeciálne elektronické zariadenie sa používa na premenu rozloženia teploty povrchu predmetu na viditeľný obraz ľudského oka a na zobrazenie rozloženia teploty povrchu predmetu v rôznych farbách sa nazýva infračervená termovízna technológia. Toto elektronické zariadenie sa nazýva infračervená termokamera. Všetky objekty nad absolútnou nulou (-273 ℃) vyžarujú infračervené žiarenie.
Ako je znázornené na obrázku 4, infračervený tepelný aproximátor (IR kamera) používa infračervený detektor a optický zobrazovací objektív na akceptovanie vzoru distribúcie energie infračerveného žiarenia meraného cieľového objektu a jeho odrazenie na fotocitlivý prvok infračerveného detektora na získanie infračervený tepelný obraz, ktorý zodpovedá teplotnému distribučnému poľu na povrchu objektu. Keď sa na povrchu predmetu vyskytne chyba, teplota sa v oblasti posunie. Preto je možné túto technológiu použiť aj na detekciu defektov na povrchu predmetu, zvlášť vhodný pre niektoré defekty, ktoré nie je možné rozlíšiť optickými detekčnými prostriedkami. Keď je sušiaca elektróda lítium-iónovej batérie detekovaná online, elektróda je najskôr ožiarená bleskom, zmení sa povrchová teplota a potom sa pomocou termokamery zistí povrchová teplota. Obraz distribúcie tepla sa vizualizuje a obraz sa spracuje a analyzuje v reálnom čase, aby sa zistili povrchové chyby a včas sa označili. D. Mohanty Štúdia inštalovala termokameru na výstupe zo sušiacej pece nanášacieho zariadenia na detekciu obrazu rozloženia teploty povrchu elektródového plátu.

Obrázok 5 (a) je mapa distribúcie teploty poťahového povrchu listu s kladným pólom NMC detekovaná termokamerou, ktorá obsahuje veľmi malú chybu, ktorú nemožno rozlíšiť voľným okom. Krivka distribúcie teploty zodpovedajúca segmentu trasy je zobrazená vo vnútornej vložke s teplotným vrcholom v bode defektu. Na obrázku 5 (b) sa teplota lokálne zvyšuje v zodpovedajúcom boxe, čo zodpovedá defektu povrchu pólového plechu. Obr. 6 je diagram distribúcie povrchovej teploty negatívneho elektródového listu, ktorý ukazuje existenciu defektov, kde vrchol zvýšenia teploty zodpovedá bubline alebo agregátu a oblasť poklesu teploty zodpovedá dierke alebo kvapke.

Obrázok 5 Rozloženie teplôt povrchu dosky kladnej elektródy

Obrázok 6 Rozloženie teploty povrchu zápornej elektródy

 

Je možné vidieť, že termovízna detekcia rozloženia teploty je dobrým prostriedkom detekcie povrchových defektov pólového plechu, ktorý možno použiť na kontrolu kvality výroby pólového plechu.3. Vplyv defektov povrchu pólového plechu na výkon batérie

 

(1) Vplyv na kapacitu multiplikátora batérie a účinnosť Coulomb

Obrázok 7 ukazuje krivku vplyvu agregátu a dierky na kapacitu multiplikátora batérie a účinnosť coulenu. Agregát môže skutočne zlepšiť kapacitu batérie, ale znížiť účinnosť coulenu. Malá dierka znižuje kapacitu batérie a účinnosť Kulunu a účinnosť Kulunu výrazne klesá vysokou rýchlosťou.

Obrázok 7 katódový agregát a vplyv dierky na kapacitu batérie a účinnosť na obrázku 8 je nerovnomerný povlak a kovové cudzie teleso Co a Al na kapacitu batérie a vplyv krivky účinnosti, nerovnomerný povlak znižuje hmotnostnú kapacitu batérie o 10 % - 20%, ale celková kapacita batérie sa znížila o 60%, čo ukazuje, že živá hmota v polárnom kuse sa výrazne znížila. Cudzie teleso Metal Co znížilo kapacitu a Coulombovu účinnosť, dokonca aj pri vysokom zväčšení 2C a 5C, vôbec žiadnu kapacitu, čo môže byť spôsobené tvorbou kovového Co pri elektrochemickej reakcii zabudovaného lítia a lítia, alebo to môžu byť kovové častice zablokovaný pór membrány spôsobil mikro skrat.

Obrázok 8 Účinky nerovnomerného povlaku kladnej elektródy a kovových cudzích telies Co a Al na kapacitu multiplikátora batérie a účinnosť coulenov

Zhrnutie defektov katódového listu: Ates v povlaku katódového listu znižuje Coulombovu účinnosť batérie. Malá dierka pozitívneho povlaku znižuje Coulombovu účinnosť, čo vedie k slabému výkonu multiplikátora, najmä pri vysokej prúdovej hustote. Heterogénny povlak vykazoval slabé zväčšenie. Látky znečisťujúce kovové častice môžu spôsobiť mikroskraty, a preto môžu výrazne znížiť kapacitu batérie.
Obrázok 9 zobrazuje vplyv pásika fólie s negatívnym únikom na kapacitu multiplikátora a účinnosť batérie Kulun. Keď dôjde k úniku na zápornej elektróde, kapacita batérie sa výrazne zníži, ale gramová kapacita nie je zrejmá a vplyv na účinnosť Kulun nie je významný.

 

Obrázok 9 Vplyv negatívneho presakujúceho fóliového prúžku elektródy na kapacitu násobiča batérie a účinnosť Kulun (2) Vplyv na výkon cyklu násobiča batérie Obrázok 10 je výsledkom vplyvu defektu povrchu elektródy na cyklus násobiča batérie. Výsledky vplyvu sú zhrnuté takto:
Egregácia: pri 2C je miera zachovania kapacity 200 cyklov 70 % a chybná batéria je 12 %, zatiaľ čo v cykle 5C je miera zachovania kapacity 200 cyklov 50 % a chybná batéria 14 %.
Ihla: útlm kapacity je zrejmý, ale žiadne zoslabenie agregovaného defektu nie je rýchle a miera udržiavania kapacity 200 cyklov 2C a 5C je 47 % a 40 %.
Kovové cudzie teleso: kapacita kovového cudzieho telesa Co je po niekoľkých cykloch takmer 0 a kapacita 5C cyklu kovového cudzieho telesa Al fólie výrazne klesá.
Netesný prúžok: Pre rovnakú oblasť úniku klesá kapacita batérie viacerých menších prúžkov rýchlejšie ako väčší prúžok (47 % pre 200 cyklov v 5C) (7 % pre 200 cyklov v 5C). To znamená, že čím väčší počet prúžkov, tým väčší vplyv na cyklus batérie.

Obrázok 10 Vplyv defektov povrchu elektródového listu na cyklus bunkovej rýchlosti

 

Ref.: [1] Nedeštruktívne hodnotenie štrbinových die-coated lítiových sekundárnych batériových elektród in-line laserovým posuvným meradlom a metódami IR termografie [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Efekt defektov pri výrobe elektród na elektrochemickom výkone lítium-iónových batérií: Poznanie zdrojov zlyhania batérie[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.