Раскрываем таямніцу: звыштэарэтычная ёмістасць літый-іённых батарэй

Чаму літыевая батарэя існуе феномен супертэарэтычнай ёмістасці

У літый-іённых батарэях (LIB) многія электроды на аснове аксіду пераходнага металу дэманструюць незвычайна высокую ёмістасць захоўвання, якая перавышае іх тэарэтычнае значэнне. Нягледзячы на ​​тое, што гэтая з'ява была шырока апублікаваная, асноўныя фізіка-хімічныя механізмы ў гэтых матэрыялах застаюцца няўлоўнымі і застаюцца прадметам дыскусій.

Профіль вынікаў

Нядаўна прафесар Мяа Госін з Універсітэта Ватэрлоо, Канада, прафесар Юй Гуйхуа з Тэхаскага ўніверсітэта ў Осціне і Лі Хунсен і Лі Цян з Універсітэта Ціндаа сумесна апублікавалі даследчую працу па матэрыялах прыроды пад назвай "Дадатковая ёмістасць для захоўвання ў літый-іённыя батарэі з аксідам пераходнага металу, выяўленыя магнітаметрыяй in situ». У гэтай працы аўтары выкарыстоўвалі магнітны маніторынг in situ, каб прадэманстраваць наяўнасць моцнай павярхоўнай ёмістасці на металічных наначасціцах і тое, што вялікая колькасць спін-палярызаваных электронаў можа захоўвацца ва ўжо адноўленых металічных наначасціцах, што адпавядае механізму прасторавага зарада. Акрамя таго, выяўлены механізм прасторавага зарада можна распаўсюдзіць на іншыя злучэнні пераходных металаў, забяспечваючы ключавое кіраўніцтва для стварэння перадавых сістэм захоўвання энергіі.

Асноўныя даследаванні

(1) Тыповы Fe быў вывучаны з дапамогай метаду магнітнага кантролю на месцы3O4/ Эвалюцыя электроннай структуры ўнутры Li батарэі;

(2) паказвае, што Fe3O4У сістэме / Li, ёмістасць павярхоўнага зарада з'яўляецца асноўнай крыніцай дадатковай ёмістасці;

(3) Механізм павярхоўнай ёмістасці металічных наначасціц можна распаўсюдзіць на шырокі спектр злучэнняў пераходных металаў.

Тэкст і тэкставы даведнік

1. Структурная характарыстыка і электрахімічныя ўласцівасці

Манадысперснае полае Fe было сінтэзавана з дапамогай звычайных гідратэрмальных метадаў3O4Nanospheres, а затым выканана пры 100 мАг-1. Зарад і разрад пры шчыльнасці току (малюнак 1а), першая ёмістасць разраду складае 1718 мАг г-1, 1370 мАг у другі і трэці раз, адпаведна- 1І 1,364 мАг−1, нашмат больш за 926 мАг−1 Тэорыя чаканняў. BF-STEM выявы цалкам разраджанага прадукту (малюнак 1b-c) паказваюць, што пасля аднаўлення літыем нанасферы Fe3O4The былі пераўтвораны ў больш дробныя наначасціцы Fe памерам каля 1-3 нм, дыспергаваныя ў цэнтры Li2O.

Каб прадэманстраваць змяненне магнетызму падчас электрахімічнага цыклу, была атрымана крывая намагнічанасці пасля поўнага разраду да 0.01 В (малюнак 1d), якая паказвае суперпарамагнітныя паводзіны з-за ўтварэння наначасціц.

Малюнак 1 (а) пры 100 mAg−1Fe цыклічнага цыклу пры шчыльнасці току3O4/ пастаяннага току зарада і разраду літыевай батарэі; (b) цалкам літыевы Fe3O4 Выява электрода BF-STEM; (c) прысутнасць Li ў агрэгатных 2 выявах BF-STEM з высокім дазволам O і Fe; (D) Fe3O4. Крывыя гістэрэзісу электрода да (чорны) і пасля (сіні), а таксама падагнаная крывая Ланжэвена апошняга (фіялетавы).

2. Выяўленне ў рэжыме рэальнага часу структурнай і магнітнай эвалюцыі

Каб аб'яднаць электрахімію з Fe3O4Of, структурныя і магнітныя змены, звязаныя з Fe3O4. Электроды падвяргаліся рэнтгенаўскай дыфракцыі in situ (XRD) і in situ магнітнаму кантролю. Fe на серыі дыфрактаграм XRD падчас першапачатковага разраду ад напругі халасты ланцуга (OCV) да 1.2V3O4 Пікі дыфракцыі істотна не змяніліся ні па інтэнсіўнасці, ні па становішчы (малюнак 2а), што сведчыць аб тым, што Fe3O4Only адчуваў працэс інтэркаляцыі Li. Пры зарадцы да 3 В антышпінельная структура Fe3O4The застаецца непашкоджанай, што сведчыць аб тым, што працэс у гэтым акне напружання вельмі зварачальны. Далейшы магнітны маніторынг на месцы ў спалучэнні з выпрабаваннямі зарада і разраду пастаяннага току быў праведзены, каб даследаваць, як намагнічанасць развіваецца ў рэальным часе (малюнак 2b).

Малюнак 2. Характарыстыка XRD на месцы і магнітны маніторынг. (A) XRD на месцы; (b) Fe3O4 Электрахімічная крывая зарада-разраду пад прыкладзеным магнітным полем 3 Тл і адпаведнай зварачальнай магнітнай рэакцыяй in situ.

Каб атрымаць больш элементарнае разуменне гэтага працэсу пераўтварэння з пункту гледжання змяненняў намагнічанасці, магнітны водгук збіраецца ў рэжыме рэальнага часу і адпаведны фазавы пераход, які суправаджае электрахімічна кіраваныя рэакцыі (малюнак 3). Цалкам відавочна, што падчас першага разраду Fe3O4. Рэакцыя намагнічанасці электродаў адрозніваецца ад іншых цыклаў з-за Fe падчас першай літалізацыі3O4. З-за незваротнага фазавага пераходу адбываецца. Калі патэнцыял упаў да 0.78 В, фаза Fe3O4The антишпинели была пераўтворана ў Li2The класа FeO структура галіта O, Fe3O4The фаза не можа быць адноўлена пасля зарадкі. Адпаведна, намагнічанасць хутка падае да 0.482 мкб Fe−1. Па меры літалізацыі новая фаза не ўтвараецца, і інтэнсіўнасць дыфракцыйных пікаў FeO класа (200) і (220) пачала слабець. роўны Fe3O4. Пры поўнай ліялізацыі электрода не захоўваецца значнага XRD-піка (малюнак 3a). Звярніце ўвагу, што калі электрод Fe3O4 разраджаецца з 0.78 В да 0.45 В, намагнічанасць (з 0.482 мкб Fe−1 павялічваецца да 1.266 мк бFe−1), гэта было звязана з рэакцыяй пераўтварэння FeO ў Fe. Затым, у канцы разраду, намагнічанасць павольна зніжалася да 1.132 мкБ Fe−1. Гэтая знаходка дазваляе выказаць здагадку, што цалкам адноўленыя наначасціцы металу Fe0 усё яшчэ могуць удзельнічаць у рэакцыі захоўвання літыя, памяншаючы такім чынам намагнічанасць электродаў.

Малюнак 3. Назіранні на месцы фазавага пераходу і магнітнага водгуку.（a）Fe3O4In situ XRD карта, сабраная падчас першага разраду электрода; (b) Fe3O4 Вымярэнне магнітнай сілы на месцы электрахімічных цыклаў клетак /Li пры прыкладзеным магнітным полі 3 Тл.

3. Fe0/Li2Павярхоўная ёмістасць сістэмы O

Fe3O4. Магнітныя змены электродаў адбываюцца пры нізкіх напружаннях, пры якіх, хутчэй за ўсё, утвараецца дадатковая электрахімічная ёмістасць, што сведчыць аб наяўнасці нераскрытых носьбітаў зарада ў клетцы. Для вывучэння патэнцыйнага механізму назапашвання літыя Fe быў вывучаны з дапамогай XPS, STEM і магнітнага спектру характарыстык3O4Электроды з пікамі намагнічанасці пры 0.01 В, 0.45 В і 1.4 В, каб вызначыць крыніцу магнітнага змены. Вынікі паказваюць, што магнітны момант з'яўляецца ключавым фактарам, які ўплывае на магнітныя змены, таму што на вымераныя Fe0/Li2The Ms сістэмы O не ўплываюць магнітная анізатрапія і міжчасцічная сувязь.

Для далейшага разумення Fe3O4The кінэтычных уласцівасцяў электродаў пры нізкім напружанні, цыклічная вольтамперометрия пры розных хуткасцях сканавання. Як паказана на малюнку 4а, прастакутная цыклічная вольтамперограмма выглядае ў дыяпазоне напружання ад 0.01 В да 1 В (малюнак 4а). На малюнку 4b паказана, што на электродзе адбыўся ёмістны адказ Fe3O4A. Дзякуючы высоказварачальнай магнітнай рэакцыі працэсу зарадкі і разрадкі з пастаянным токам (малюнак 4c), намагнічанасць электрода паменшылася з 1 В да 0.01 В падчас працэсу разрадкі і зноў павялічылася падчас працэсу зарадкі, што сведчыць аб тым, што Fe0Of кандэнсатара павярхоўная рэакцыя вельмі зварачальная.

Малюнак 4. Электрахімічныя ўласцівасці і магнітная характарыстыка in situ пры 0.011 В. (A) Цыклічная вольтампераметрычная крывая. (B) значэнне b вызначаецца з дапамогай карэляцыі паміж пікавым токам і хуткасцю разгорткі; (с) зварачальнае змяненне намагнічанасці адносна крывой зарада-разраду пад прыкладзеным магнітным полем 5 Тл.

вышэйзгаданы Fe3O4. Электрахімічныя, структурныя і магнітныя асаблівасці электродаў паказваюць, што дадатковая ёмістасць батарэі вызначаецца Fe0. Палярызаваная спін-павярхоўная ёмістасць наначасціц выклікана спадарожнымі магнітнымі зменамі. Спін-палярызаваная ёмістасць з'яўляецца вынікам спін-палярызаванага назапашвання зарада на мяжы падзелу і можа адлюстроўваць магнітную рэакцыю падчас зарада і разраду. Для Fe3O4 Базавы электрод падчас першага працэсу разраду быў дыспергаваны ў Li2Fine наначасціц Fe ў O-субстраце. вялікія адносіны паверхні да аб'ёму і рэалізаваць высокую шчыльнасць станаў на ўзроўні Фермі з-за моцна лакалізаваных d-арбіталей. У адпаведнасці з тэарэтычнай мадэллю прасторавага назапашвання зарада Майера, аўтары мяркуюць, што вялікая колькасць электронаў можа захоўвацца ў палосах расшчаплення спіна металічных наначасціц Fe, якія можна знайсці ў Fe / Li2. Малюнак 5).

графік 5Fe/Li2A Схематычнае адлюстраванне павярхоўнай ёмістасці спін-палярызаваных электронаў на O-памежжы.(A) схематычная дыяграма шчыльнасці стану спінавай палярызацыі паверхні ферамагнітных металічных часціц (да і пасля разраду), у адрозненне ад аб'ёмная спінавая палярызацыя жалеза; (б) фарміраванне вобласці прасторавага зарада ў мадэлі павярхоўнага кандэнсатара пераназапашанага літыя.

Рэзюмэ і Outlook

TM / Li быў даследаваны ўдасканаленым магнітным маніторынгам на месцы2. Эвалюцыя ўнутранай электроннай структуры нанакампазіту O, каб выявіць крыніцу дадатковай ёмістасці для гэтай літый-іённай батарэі. Вынікі паказваюць, што і ў сістэме ячэек мадэлі Fe3O4/Li электрахімічна адноўленыя наначасціцы Fe могуць захоўваць вялікую колькасць спін-палярызаваных электронаў, што ўзнікае з-за празмернай ёмістасці ячэек і істотна змененага межфазнага магнетызму. Эксперыменты дадаткова пацвердзілі CoO, NiO і FeF2і Fe2. Наяўнасць такой ёмістасці ў матэрыяле электрода N паказвае на існаванне спін-палярызаванай павярхоўнай ёмістасці наначасціц металу ў літый-іённых батарэях і закладвае аснову для прымянення гэтага механізму захоўвання прасторавага зарада ў іншых пераходах электродныя матэрыялы на аснове металічных злучэнняў.

Спасылка на літаратуру

Дадатковая ёмістасць для аксіду літый-іённых батарэй з пераходным металам, выяўленая магнітаметрыяй in situ (Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

Уплыў формулы канструкцыі пласціны літыевага электрода і дэфектаў пласціны электрода на прадукцыйнасць

1. Артыкул пра аснову дызайну Pole Film Film

Электрод літыевай батарэі ўяўляе сабой пакрыццё, якое складаецца з часціц, раўнамерна нанесеных на металічную вадкасць. Пакрыццё электрода літый-іённай батарэі можна разглядаць як кампазітны матэрыял, які ў асноўным складаецца з трох частак:

(1) Часціцы дзеючага рэчыва;

(2) складовая фаза токаправоднага агента і агента (фаза вугляроднага клею);

(3) Поры, запоўніце электралітам.

Адносіны аб'ёму кожнай фазы выражаюцца як:

Сітаватасць + аб'ёмная доля жывога рэчыва + аб'ёмная доля вугляроднай клейкай фазы =1

Дызайн канструкцыі электрода літыевай батарэі вельмі важны, і зараз коратка прадстаўлены асноўныя веды канструкцыі электрода літыевай батарэі.

(1) Тэарэтычная ёмістасць матэрыялу электрода Тэарэтычная ёмістасць матэрыялу электрода, гэта значыць ёмістасць, якая забяспечваецца ўсімі іонамі літыя ў матэрыяле, які ўдзельнічае ў электрахімічнай рэакцыі, яе значэнне разлічваецца па наступным ураўненні:

Напрыклад, малярная маса LiFePO4 складае 157.756 г/моль, а яго тэарэтычная ёмістасць:

Гэта разлічанае значэнне з'яўляецца толькі тэарэтычнай ёмістасцю ў грамах. Каб забяспечыць зварачальную структуру матэрыялу, фактычны каэфіцыент выдалення іёнаў літыя менш за 1, а фактычная ёмістасць матэрыялу ў грамах складае:

Фактычная ёмістасць матэрыялу ў грамах = тэарэтычная ёмістасць літый-іённага каэфіцыента адключэння

(2) Разліковая ёмістасць батарэі і вельмі аднабаковая шчыльнасць Разліковую ёмістасць батарэі можна разлічыць па наступнай формуле: разліковая ёмістасць батарэі = павярхоўная шчыльнасць пакрыцця, суадносіны актыўнага матэрыялу, ёмістасць у грамах, плошча пакрыцця полюснага ліста

Сярод іх павярхоўная шчыльнасць пакрыцця з'яўляецца ключавым параметрам канструкцыі. Калі шчыльнасць ушчыльнення не змяняецца, павелічэнне павярхоўнай шчыльнасці пакрыцця азначае, што таўшчыня полюснага ліста павялічваецца, адлегласць перадачы электронаў павялічваецца і супраціўленне электронаў павялічваецца, але ступень павелічэння абмежаваная. У тоўстым электродным лісце павышэнне імпедансу міграцыі іёнаў літыя ў электраліце ​​з'яўляецца асноўнай прычынай, якая ўплывае на характарыстыкі суадносін. Улічваючы сітаватасць і скручванне пары, адлегласць міграцыі іёнаў у поры ў шмат разоў перавышае таўшчыню полюснага ліста.

(3) Стаўленне адмоўнай і станоўчай ёмістасці N / P адмоўнай ёмістасці да станоўчай ёмістасці вызначаецца як:

N / P павінна быць больш, чым 1.0, як правіла, 1.04~1.20, што ў асноўным у канструкцыі бяспекі, каб прадухіліць адмоўны бок іёнаў літыя ад ападкаў без прыняцця крыніцы, дызайн з улікам магутнасці працэсу, напрыклад, адхіленне пакрыцця. Аднак, калі N / P занадта вялікі, батарэя незваротна страціць ёмістасць, што прывядзе да нізкай ёмістасці батарэі і меншай шчыльнасці энергіі батарэі.

Для анода з тытаната літыя прымаецца канструкцыя лішку станоўчага электрода, а ёмістасць батарэі вызначаецца ёмістасцю анода з тытаната літыя. Канструкцыя станоўчага лішку спрыяе паляпшэнню характарыстык акумулятара пры высокіх тэмпературах: высокатэмпературны газ у асноўным паступае з адмоўнага электрода. У канструкцыі з дадатным лішкам адмоўны патэнцыял нізкі, і на паверхні тытаната літыя лягчэй сфармаваць плёнку SEI.

(4) Шчыльнасць ушчыльнення і сітаватасць пакрыцця У працэсе вытворчасці шчыльнасць ушчыльнення пакрыцця электрода батарэі разлічваецца па наступнай формуле. Улічваючы тое, што пры згортванні полюснага ліста металічная фальга расцягваецца, павярхоўная шчыльнасць пакрыцця пасля валіка разлічваецца па наступнай формуле.

Як згадвалася раней, пакрыццё складаецца з фазы жывога матэрыялу, фазы вугляроднага клею і пор, а сітаватасць можна разлічыць па наступным ураўненні.

Сярод іх сярэдняя шчыльнасць пакрыцця: электрод літыевай батарэі - гэта свайго роду часціцы парашка пакрыцця, таму што паверхня часціц парашка шурпатая, няправільнай формы, пры назапашванні часціцы паміж часціцамі і часціцамі, а некаторыя самі часціцы маюць расколіны і пары, таму аб'ём парашка, уключаючы аб'ём парашка, поры паміж часціцамі парашка і часціцамі, такім чынам, адпаведнае разнастайнасць шчыльнасці пакрыцця электрода і сітаватасці прадстаўлення. Шчыльнасць часціц парашка адносіцца да масы парашка на адзінку аб'ёму. У адпаведнасці з аб'ёмам парашка, ён дзеліцца на тры выгляду: сапраўдная шчыльнасць, шчыльнасць часціц і шчыльнасць назапашвання. Розныя шчыльнасці вызначаюцца наступным чынам:

1. Сапраўдная шчыльнасць адносіцца да шчыльнасці, атрыманай шляхам дзялення масы парашка на аб'ём (рэальны аб'ём) без уліку ўнутраных і вонкавых прамежкаў часціц. Гэта значыць шчыльнасць самой матэрыі, атрыманая пасля выключэння аб'ёму ўсіх пустэч.
2. Шчыльнасць часціц адносіцца да шчыльнасці часціц, атрыманай шляхам дзялення масы парашка на аб'ём часціц, уключаючы адкрытае і закрытае адтуліны. Гэта значыць прамежак паміж часціцамі, але не дробныя пары ўнутры часціц, а шчыльнасць саміх часціц.
3. Шчыльнасць назапашвання, гэта значыць шчыльнасць пакрыцця, адносіцца да шчыльнасці, атрыманай масай парашка, падзеленай на аб'ём пакрыцця, утворанага парашком. Выкарыстаны аб'ём уключае поры саміх часціц і пустэчы паміж часціцамі.

Для таго ж парашка сапраўдная шчыльнасць> шчыльнасць часціц> шчыльнасць упакоўкі. Сітаватасць парашка - гэта стаўленне пор у пакрыцці часціц парашка, гэта значыць стаўленне аб'ёму пустэчы паміж часціцамі парашка і порамі часціц да агульнага аб'ёму пакрыцця, якое звычайна выражаецца у працэнтах. Сітаватасць парашка - гэта комплексная ўласцівасць, звязаная з марфалогіяй часціц, станам паверхні, памерам і размеркаваннем часціц па памерах. Яго сітаватасць непасрэдна ўплывае на пранікненне электраліта і перадачу іёнаў літыя. Увогуле, чым большая сітаватасць, тым лягчэй пранікненне электраліта і тым хутчэй перадача іёнаў літыя. Такім чынам, пры распрацоўцы літыевай батарэі, часам для вызначэння сітаватасці, звычайна выкарыстоўваецца метад ртутнага ціску, метад адсорбцыі газу і г.д. Таксама можна атрымаць з дапамогай разліку шчыльнасці. Сітаватасць таксама можа мець розныя наступствы пры выкарыстанні розных шчыльнасцей для разлікаў. Калі шчыльнасць сітаватасці жывога рэчыва, токаправоднага агента і злучнага разлічваецца па сапраўднай шчыльнасці, разліковая сітаватасць уключае зазор паміж часціцамі і зазор унутры часціц. Калі сітаватасць жывога рэчыва, токаправоднага агента і злучнага рэчыва разлічваецца па шчыльнасці часціц, разлічаная сітаватасць уключае зазор паміж часціцамі, але не зазор унутры часціц. Такім чынам, памер пор ліста электрода літыевай батарэі таксама шматмаштабны, звычайна зазор паміж часціцамі мае памер мікрон, а зазор унутры часціц - ад нанаметра да субсубмікрона. У порыстых электродах ўзаемасувязь транспартных уласцівасцей, такіх як эфектыўная дыфузія і праводнасць, можна выказаць наступным ураўненнем:

Дзе D0 уяўляе сабой уласную хуткасць дыфузіі (праводнасці) самога матэрыялу, ε - аб'ёмная доля адпаведнай фазы, а τ - кругавая крывізна адпаведнай фазы. У макраскапічнай аднастайнай мадэлі звычайна выкарыстоўваецца суадносіны Бруггемана, прымаючы каэфіцыент ɑ =1.5 для ацэнкі эфектыўнай станоўчасці порыстых электродаў.

Электраліт запаўняецца ў пары порыстых электродаў, у якіх іёны літыя праходзяць праз электраліт, і характарыстыкі праводнасці іёнаў літыя цесна звязаны з сітаватасцю. Чым больш сітаватасць, тым вышэй аб'ёмная доля фазы электраліта і тым больш эфектыўная праводнасць іёнаў літыя. У лісце станоўчага электрода электроны перадаюцца праз вугляродную клейкую фазу, аб'ёмная доля вугляроднай клейкай фазы і аб'езд вугляроднай клейкай фазы непасрэдна вызначаюць эфектыўную праводнасць электронаў.

Сітаватасць і аб'ёмная доля вугляроднай адгезіўнай фазы супярэчлівыя, а вялікая сітаватасць непазбежна прыводзіць да аб'ёмнай долі вугляроднай адгезіўнай фазы, такім чынам, эфектыўныя ўласцівасці праводнасці іёнаў літыя і электронаў таксама супярэчлівыя, як паказана на малюнку 2. Па меры памяншэння сітаватасці эфектыўная праводнасць іёнаў літыя памяншаецца, а эфектыўная праводнасць электронаў павялічваецца. Як збалансаваць абодва таксама мае вырашальнае значэнне ў канструкцыі электрода.

Малюнак 2. Прынцыповая дыяграма сітаватасці і праводнасці іёнаў літыя і электронаў

2. Тып і выяўленне палюсных дэфектаў

 

У цяперашні час у працэсе падрыхтоўкі слупа акумулятара выкарыстоўваецца ўсё больш і больш тэхналогій онлайн-выяўлення, каб эфектыўна ідэнтыфікаваць вытворчыя дэфекты прадукцыі, ліквідаваць дэфектную прадукцыю і своечасовую зваротную сувязь з вытворчай лініяй, аўтаматычнае або ручное рэгуляванне вытворчасці. працэсу, каб знізіць узровень дэфектаў.

Тэхналогіі он-лайн выяўлення, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў вытворчасці полюсных лістоў, уключаюць выяўленне характарыстык суспензіі, вызначэнне якасці полюсных лістоў, вызначэнне памераў і гэтак далей. Напрыклад: (1) онлайн-вымяральнік глейкасці непасрэдна ўсталёўваецца ў рэзервуар для захоўвання пакрыцця для выяўлення рэалагічных характарыстыкі завісі ў рэжыме рэальнага часу, Праверка стабільнасці завісі; (2) Выкарыстанне рэнтгенаўскіх або β-прамянёў у працэсе нанясення пакрыцця, яго высокая дакладнасць вымярэнняў, але вялікая радыяцыя, высокая цана абсталявання і праблемы з абслугоўваннем; (3) Тэхналогія лазернага онлайн-вымярэння таўшчыні прымяняецца для вымярэння таўшчыні ліста слупа. Дакладнасць вымярэння можа дасягаць ± 1 мкм. Яна таксама можа адлюстроўваць тэндэнцыю змены вымеранай таўшчыні і таўшчыні ў рэжыме рэальнага часу, спрыяе прасочванню даных. і аналіз; (0) Тэхналогія бачання ПЗС, гэта значыць, лінейны ПЗС-матрык выкарыстоўваецца для сканавання вымяранага аб'екта, апрацоўкі малюнкаў у рэжыме рэальнага часу і аналізу катэгорый дэфектаў, рэалізацыі неразбуральнага онлайн-выяўлення дэфектаў паверхні полюснага ліста.

З'яўляючыся інструментам для кантролю якасці, тэхналогія онлайн-тэставання таксама важная для разумення ўзаемасувязі паміж дэфектамі і прадукцыйнасцю батарэі, каб вызначыць кваліфікаваныя/некваліфікаваныя крытэрыі для паўфабрыкатаў.

У апошняй частцы коратка прадстаўлены новы метад тэхналогіі выяўлення дэфектаў на паверхні літый-іённай батарэі, тэхналогія інфрачырвонага цеплавізара і ўзаемасувязь паміж гэтымі рознымі дэфектамі і электрахімічнымі характарыстыкамі. Пракансультуйцеся з Д. Моханты. Дбайнае даследаванне, праведзенае Моханты і інш.

(1) Агульныя дэфекты на паверхні полюснага ліста

На малюнку 3 паказаны агульныя дэфекты на паверхні электрода літый-іённага акумулятара: аптычная выява злева і выява, атрыманая цеплавізарам, справа.

Малюнак 3 Распаўсюджаныя дэфекты на паверхні полюснага ліста: (a, b) выпукласць канверт / агрэгат; (c, d) падзенне матэрыялу / дзіркі; д, е) металічнае іншароднае цела; (g, h) няроўнае пакрыццё

 

(A, b) прыпаднятая выпукласць / запаўняльнік, такія дэфекты могуць узнікнуць, калі суспензія раўнамерна змешваецца або хуткасць нанясення пакрыцця нестабільная. Агрэгацыя клею і сажы прыводзіць да нізкага ўтрымання актыўных інгрэдыентаў і малой вазе палярных таблетак.

 

(c, d) кропля / дзірка, гэтыя дэфектныя ўчасткі не пакрытыя і звычайна ўтвараюцца бурбалкамі ў завісі. Яны памяншаюць колькасць актыўнага матэрыялу і падвяргаюць калектар уздзеянню электраліта, такім чынам памяншаючы электрахімічную ёмістасць.

 

(E, f) металічныя іншародныя целы, шлам або металічныя іншародныя целы, якія трапляюць у абсталяванне і навакольнае асяроддзе, а таксама металічныя іншародныя целы могуць нанесці вялікую шкоду літыевым батарэям. Буйныя металічныя часціцы непасрэдна пашкоджваюць дыяфрагму, што прыводзіць да кароткага замыкання паміж станоўчым і адмоўным электродамі, што з'яўляецца фізічным кароткім замыканнем. Акрамя таго, калі металічнае іншароднае цела змешваецца з станоўчым электродам, станоўчы патэнцыял павялічваецца пасля зарадкі, метал раствараецца, распаўсюджваецца праз электраліт, а затым выпадае ў асадак на адмоўнай паверхні і, нарэшце, праколвае дыяфрагму, утвараючы кароткае замыканне, які ўяўляе сабой кароткае замыканне хімічнага растварэння. Найбольш распаўсюджаныя металічныя іншародныя целы на заводзе акумулятараў - Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS і г.д.

 

(g, h) нераўнамернае пакрыццё, напрыклад, недастатковае змешванне суспензіі, дробнасць часціц лёгка з'яўляецца на палосах, калі часціца вялікая, што прыводзіць да нераўнамернага пакрыцця, якое паўплывае на кансістэнцыю ёмістасці батарэі і нават з'явіцца цалкам без паласы пакрыцця, аказвае ўплыў на ёмістасць і бяспеку.

(2) Тэхналогія выяўлення дэфектаў паверхні полюснага чыпа Тэхналогія інфрачырвонага (ІЧ) цеплавізуара выкарыстоўваецца для выяўлення нязначных дэфектаў на сухіх электродах, якія могуць пашкодзіць прадукцыйнасці літый-іённых батарэй. Падчас онлайн-выяўлення, калі выяўлены дэфект электрода або забруджвальнік, адзначце гэта на лісце полюса, ліквідуйце яго ў наступным працэсе і адпраўце на вытворчую лінію, а таксама своечасова адрэгулюйце працэс для ліквідацыі дэфектаў. Інфрачырвоныя прамяні - гэта разнавіднасць электрамагнітнай хвалі, якая мае тую ж прыроду, што і радыёхвалі і бачнае святло. Спецыяльная электронная прылада выкарыстоўваецца для пераўтварэння размеркавання тэмпературы паверхні аб'екта ў бачную чалавечым вокам выяву, а таксама для адлюстравання размеркавання тэмпературы паверхні аб'екта ў розных колерах называецца інфрачырвонай цеплавізійнай тэхналогіяй. Гэты электронны прыбор называецца інфрачырвоны цеплавізар. Усе аб'екты вышэй абсалютнага нуля (-273 ℃) выпраменьваюць інфрачырвонае выпраменьванне.
Як паказана на малюнку 4, інфрачырвоны цеплавы апраксіматар (ІЧ-камера) выкарыстоўвае інфрачырвоны дэтэктар і аптычны аб'ектыў для атрымання карціны размеркавання энергіі інфрачырвонага выпраменьвання вымяранага мэтавага аб'екта і адлюстравання яго на фотаадчувальным элеменце інфрачырвонага дэтэктара для атрымання інфрачырвонае цеплавое малюнак, якое адпавядае цеплавому полю размеркавання на паверхні аб'екта. Калі на паверхні прадмета ёсць дэфект, тэмпература ў гэтым месцы змяняецца. Такім чынам, гэтая тэхналогія таксама можа быць выкарыстана для выяўлення дэфектаў на паверхні аб'екта, асабліва падыходзіць для некаторых дэфектаў, якія немагчыма адрозніць сродкамі аптычнага выяўлення. Калі сушыльны электрод літый-іённай батарэі выяўляецца ў інтэрнэце, электрод-электрод спачатку апрамяняецца ўспышкай, тэмпература паверхні змяняецца, а затым тэмпература паверхні вызначаецца з дапамогай цеплавізар. Відарыс размеркавання цяпла візуалізуецца, а малюнак апрацоўваецца і аналізуецца ў рэжыме рэальнага часу, каб своечасова выявіць дэфекты паверхні і пазначыць іх.D. Mohanty Даследаванне ўстанавіла цеплавізар на выхадзе з сушыльнай печы машыны для нанясення пакрыццяў, каб выявіць малюнак размеркавання тэмпературы паверхні ліста электрода.

Малюнак 5 (a) - карта размеркавання тэмпературы паверхні пакрыцця ліста станоўчага полюса NMC, выяўленая цеплавізарам, якая змяшчае вельмі невялікі дэфект, які немагчыма адрозніць няўзброеным вокам. Крывая размеркавання тэмпературы, якая адпавядае адрэзку трасы, паказана на ўнутранай урэзцы з усплёскам тэмпературы ў месцы дэфекту. На малюнку 5 (b) тэмпература лакальна павялічваецца ў адпаведным полі, што адпавядае дэфекту паверхні полюснага ліста. ФІГ. 6 - дыяграма размеркавання тэмпературы паверхні ліста адмоўнага электрода, якая паказвае наяўнасць дэфектаў, дзе пік павышэння тэмпературы адпавядае бурбалцы або агрэгату, а вобласць паніжэння тэмпературы адпавядае дзірцы або кроплі.

Малюнак 5. Размеркаванне тэмпературы паверхні станоўчага электрода

Малюнак 6. Размеркаванне тэмпературы паверхні адмоўнага электрода

 

Можна заўважыць, што цеплавізійнае выяўленне размеркавання тэмпературы з'яўляецца добрым сродкам выяўлення дэфектаў паверхні апорнага ліста, які можна выкарыстоўваць для кантролю якасці вырабу апорнага ліста.3. Уплыў дэфектаў паверхні полюснага ліста на прадукцыйнасць батарэі

 

(1) Уплыў на ёмістасць множніка батарэі і эфектыўнасць Кулона

На малюнку 7 паказана крывая ўплыву агрэгата і дзіркі на ёмістасць множніка батарэі і эфектыўнасць Кулена. Агрэгат сапраўды можа палепшыць ёмістасць батарэі, але знізіць эфектыўнасць кулена. Точка зніжае ёмістасць батарэі і эфектыўнасць Kulun, а эфектыўнасць Kulun значна зніжаецца пры высокай хуткасці.

Малюнак 7. Катодны агрэгат і кропкавы эфект уплываюць на ёмістасць батарэі і эфектыўнасць. Малюнак 8 - гэта нераўнамернае пакрыццё, а таксама металічнае іншароднае цела Co і Al на ёмістасць батарэі і ўплыў крывой эфектыўнасці, няроўнае пакрыццё памяншае ёмістасць батарэі на 10% - 20%, але ўся ёмістасць батарэі знізілася на 60%, гэта сведчыць аб тым, што жывая маса ў палярным кавалку істотна паменшылася. Іншароднае цела Metal Co зніжае ёмістасць і кулонаўскую эфектыўнасць, нават пры вялікім павелічэнні 2C і 5C, увогуле адсутнічае ёмістасць, што можа быць звязана з утварэннем металічнага Co ў электрахімічнай рэакцыі літыя і ўбудаванага літыя, або гэта могуць быць часціцы металу блакаваў пору дыяфрагмы, выкліканае мікракароткае замыканне.

Малюнак 8 Уплыў нераўнамернага пакрыцця станоўчага электрода і металічных старонніх тэл Co і Al на ёмістасць множніка батарэі і эфектыўнасць Кулена

Рэзюмэ дэфектаў катоднага ліста: пашкоджанні ў пакрыцці катоднага ліста зніжаюць кулонаўскую эфектыўнасць батарэі. Точкавая адтуліна станоўчага пакрыцця зніжае кулонаўскую эфектыўнасць, што прыводзіць да дрэннай працы множніка, асабліва пры высокай шчыльнасці току. Гетэрагеннае пакрыццё паказала дрэнную прадукцыйнасць павелічэння. Металічныя часціцы забруджвальных рэчываў могуць выклікаць мікракароткія замыканні і, такім чынам, могуць значна паменшыць ёмістасць батарэі.
На малюнку 9 паказаны ўплыў фальговай паласы з адмоўнай уцечкай на ёмістасць множніка і эфектыўнасць Kulun батарэі. Калі ўцечка адбываецца на адмоўным электродзе, ёмістасць батарэі значна зніжаецца, але ёмістасць у грам не відавочная, і ўплыў на эфектыўнасць Кулуна не істотны.

 

Малюнак 9 Уплыў паласы фальгі з уцечкай адмоўнага электрода на ёмістасць множніка батарэі і эфектыўнасць Kulun (2) Уплыў на прадукцыйнасць цыкла множніка батарэі Малюнак 10 - гэта вынік уплыву дэфекту паверхні электрода на цыкл множання батарэі. Вынікі ўздзеяння абагульнены наступным чынам:
Эгрэгацыя: пры 2C хуткасць захавання ёмістасці ў 200 цыклаў складае 70%, а няспраўная батарэя - 12%, у той час як у цыкле 5C хуткасць падтрымання ёмістасці ў 200 цыклаў складае 50%, а дэфектная батарэя - 14%.
Іголка: згасанне ёмістасці відавочнае, але згасанне сукупнага дэфекту не адбываецца хутка, а хуткасць захавання ёмістасці 200 цыклаў 2C і 5C складае 47% і 40% адпаведна.
Металічнае іншароднае цела: ёмістасць металічнага іншароднага цела Co амаль роўная 0 пасля некалькіх цыклаў, а ёмістасць металічнага іншароднага цела Al фальгі пры цыкле 5C значна памяншаецца.
Паласа ўцечкі: пры аднолькавай плошчы ўцечкі ёмістасць акумулятара некалькіх меншых палос памяншаецца хутчэй, чым большай паласы (47% за 200 цыклаў у 5C) (7% для 200 цыклаў у 5C). Гэта паказвае на тое, што чым большая колькасць палос, тым большы ўплыў на цыкл батарэі.

Малюнак 10. Уплыў дэфектаў паверхні ліста электрода на цыкл хуткасці клетак

 

Спасылка: [1] Неразбуральная ацэнка другасных электродаў літыевых батарэй, пакрытых шчыліннымі штампамі, з дапамогай убудаванага лазернага штангенцыркуля і метадаў ВК-тэрмаграфіі [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Эфект дэфектаў вытворчасці электродаў на электрахімічныя характарыстыкі літый-іённых акумулятараў: веды аб крыніцах выхаду з ладу батарэі [J]. Journal of Power Sources. 2016, 312: 70-79.