Zbulimi i misterit: Kapaciteti super teorik në bateritë litium-jon

Pse ekziston bateria e litiumit fenomen super teorik i kapacitetit

Në bateritë litium-jon (LIBs), shumë elektroda të bazuara në oksid metali në tranzicion shfaqin kapacitet jashtëzakonisht të lartë ruajtjeje përtej vlerës së tyre teorike. Edhe pse ky fenomen është raportuar gjerësisht, mekanizmat fiziko-kimikë në këto materiale mbeten të pakapshme dhe mbeten një çështje debati.

Profili i rezultateve

Kohët e fundit, profesori Miao Guoxing nga Universiteti i Waterloo, Kanada, profesori Yu Guihua nga Universiteti i Teksasit në Austin dhe Li Hongsen dhe Li Qiang nga Universiteti Qingdao publikuan së bashku një punim kërkimor mbi Materialet e Natyrës nën titullin "Kapaciteti shtesë i ruajtjes në Bateritë e litium-jonit të oksidit të metalit në tranzicion të zbuluara nga magnetometria in situ". Në këtë punë, autorët përdorën monitorimin magnetik in situ për të demonstruar praninë e kapacitetit të fortë sipërfaqësor në nanogrimcat metalike dhe se një numër i madh elektronesh të polarizuara me spin mund të ruhen në nanogrimca metalike tashmë të reduktuara, gjë që është në përputhje me mekanizmin e ngarkesës hapësinore. Përveç kësaj, mekanizmi i ngarkimit hapësinor i zbuluar mund të zgjerohet në përbërje të tjera të metaleve në tranzicion, duke ofruar një udhëzues kyç për krijimin e sistemeve të avancuara të ruajtjes së energjisë.

Pikat kryesore të hulumtimit

(1) Një Fe tipike u studiua duke përdorur teknikën e monitorimit magnetik in-situ3O4/ Evolucioni i strukturës elektronike brenda baterisë Li;

(2) zbulon se në sistemin Fe3O4/Li, kapaciteti i ngarkesës sipërfaqësore është burimi kryesor i kapacitetit shtesë;

(3) Mekanizmi i kapacitetit sipërfaqësor të nanogrimcave metalike mund të zgjerohet në një gamë të gjerë të përbërjeve të metaleve në tranzicion.

Tekst dhe udhëzues teksti

1. Karakterizimi strukturor dhe vetitë elektrokimike

Fe i uritur monodispers u sintetizua me metoda konvencionale hidrotermale3O4Nanosfera, dhe më pas u krye me 100 mAg−1Ngarkesë dhe shkarkim në densitetin e rrymës (Figura 1a), kapaciteti i parë i shkarkimit është 1718 mAh g−1, 1370 mAhg përkatësisht në herën e dytë dhe të tretë, 1Dhe 1,364 mAhg−1, shumë më tepër se 926 mAhg−1Teoria e pritjeve. Imazhet BF-STEM të produktit të shkarkuar plotësisht (Figura 1b-c) tregojnë se pas reduktimit të litiumit, Nanosferat Fe3O4 u shndërruan në nanogrimca më të vogla Fe me përmasa rreth 1 – 3 nm, të shpërndara në qendrën Li2O.

Për të demonstruar ndryshimin e magnetizmit gjatë ciklit elektrokimik, u përftua një kurbë magnetizimi pas shkarkimit të plotë në 0.01 V (Figura 1d), që tregon sjelljen superparamagnetike për shkak të formimit të nanogrimcave.

Figura 1 (a) në 100 mAg−1Fe të ciklit me densitetin e rrymës3O4/ Kurba e ngarkimit dhe shkarkimit të rrymës konstante të baterisë Li; (b) plotësisht litium Fe3O4 Imazhi BF-STEM i elektrodës; (c) prania e Li në agregatin2 imazhet BF-STEM me rezolucion të lartë të O dhe Fe; (d) Fe3O4Lakoret e histerezës së elektrodës para (e zezë) dhe pas (blu), dhe kurba e përshtatur me Langevin e kësaj të fundit (vjollcë).

2. Zbulimi në kohë reale i evolucionit strukturor dhe magnetik

Për të kombinuar elektrokiminë me ndryshimet strukturore dhe magnetike të Fe3O4Of të lidhura me Fe3O4, elektrodat iu nënshtruan difraksionit me rreze X në vend (XRD) dhe monitorimit magnetik në vend. Fe në një seri modelesh difraksioni XRD gjatë shkarkimit fillestar nga voltazhi i qarkut të hapur (OCV) në 1.2V3O4 Pikat e difraksionit nuk ndryshuan ndjeshëm as në intensitet as në pozicion (Figura 2a), duke treguar se Fe3O4Only përjetoi procesin e ndërthurjes së Li. Kur ngarkohet në 3V, struktura anti-spinel Fe3O4 mbetet e paprekur, duke sugjeruar që procesi në këtë dritare të tensionit është shumë i kthyeshëm. Monitorim i mëtejshëm magnetik në vend i kombinuar me teste të shkarkimit të ngarkesës me rrymë konstante u krye për të hetuar se si magnetizimi evoluon në kohë reale (Figura 2b).

Figura 2 Karakterizimi i in-situ XRD dhe monitorimi magnetik.(A) in situ XRD; (b) Kurba e ngarkimit-shkarkimit elektrokimik Fe3O4 nën një fushë magnetike të aplikuar 3 T dhe përgjigjen magnetike përkatëse të kthyeshme in situ.

Për të fituar një kuptim më themelor të këtij procesi të konvertimit për sa i përket ndryshimeve të magnetizimit, përgjigja magnetike mblidhet në kohë reale dhe tranzicioni fazor përkatës që shoqëron reaksionet e drejtuara elektrokimikisht (Figura 3). Është mjaft e qartë se gjatë shkarkimit të parë, Fe3O4Përgjigja e magnetizimit të elektrodave ndryshon nga ciklet e tjera për shkak të Fe gjatë litalizimit të parë3O4Për shkak të tranzicionit fazor të pakthyeshëm ndodh. Kur potenciali ra në 0.78 V, faza e antispinelit Fe3O4 u konvertua për të përmbajtur strukturën halite Li2Klasës FeO të O, Faza Fe3O4 nuk mund të rikthehet pas karikimit. Përkatësisht, magnetizimi bie me shpejtësi në 0.482 μb Fe−1. Ndërsa litializimi vazhdon, nuk u formua asnjë fazë e re dhe intensiteti i pikut të difraksionit të klasës FeO (200) dhe (220) filloi të dobësohej. i barabartë Fe3O4Nuk ka asnjë pikë domethënëse XRD që mbahet kur elektroda liializohet plotësisht (Figura 3a). Vini re se kur elektroda Fe3O4 shkarkon nga 0.78 V në 0.45 V, magnetizimi (nga 0.482 μ b Fe−1 u rrit në 1.266 μ bFe−1), kjo i atribuohet reaksionit të konvertimit nga FeO në Fe. Pastaj, në fund të shkarkimit, magnetizimi u ul ngadalë në 1.132 μ B Fe−1. Ky zbulim sugjeron që Nanogrimcat e reduktuara plotësisht të metalit Fe0 mund të marrin pjesë ende në reaksionin e ruajtjes së litiumit, duke reduktuar kështu magnetizimin e elektrodave.

Figura 3 Vëzhgimet në vend të tranzicionit fazor dhe përgjigjes magnetike. (a) Harta e Fe3O4In situ XRD e mbledhur gjatë shkarkimit të parë të elektrodës; (b) Matja e forcës magnetike Fe3O4In situ e cikleve elektrokimike të qelizave / Li në një fushë magnetike të aplikuar prej 3 T.

3. Fe0/Li2 Kapaciteti sipërfaqësor i sistemit O

Fe3O4Ndryshimet magnetike të elektrodave ndodhin në tensione të ulëta, në të cilat ka shumë të ngjarë të gjenerohet një kapacitet elektrokimik shtesë, duke sugjeruar praninë e bartësve të pazbuluar të ngarkesës brenda qelizës. Për të eksploruar mekanizmin potencial të ruajtjes së litiumit, Fe u studiua me anë të XPS, STEM dhe spektrit të performancës magnetike3O4Elektroda të majave të magnetizimit në 0.01V, 0.45V dhe 1.4V për të përcaktuar burimin e ndryshimit magnetik. Rezultatet tregojnë se momenti magnetik është një faktor kyç që ndikon në ndryshimin magnetik, sepse Fe0/Li2M-të e matura të sistemit O nuk ndikohen nga anizotropia magnetike dhe ndërthurja e bashkimit.

Për të kuptuar më tej Vetitë kinetike të Fe3O4 të elektrodave në tension të ulët, voltammetri ciklike me shpejtësi të ndryshme skanimi. Siç tregohet në figurën 4a, kurba drejtkëndore e voltamogramit ciklik shfaqet brenda intervalit të tensionit midis 0.01V dhe 1V (Figura 4a). Figura 4b tregon se reagimi kapacitiv Fe3O4A ndodhi në elektrodë. Me përgjigjen magnetike shumë të kthyeshme të procesit të ngarkimit dhe shkarkimit të rrymës konstante (Figura 4c), magnetizimi i elektrodës u ul nga 1V në 0.01V gjatë procesit të shkarkimit dhe u rrit përsëri gjatë procesit të karikimit, duke treguar se Fe0Of i ngjashëm me kondensatorin reaksioni sipërfaqësor është shumë i kthyeshëm.

Figura 4 Vetitë elektrokimike dhe karakterizimi magnetik in situ në 0.011 V. (A) Kurba voltammetrike ciklike. (B) vlera b përcaktohet duke përdorur korrelacionin midis rrymës së pikut dhe shpejtësisë së skanimit; (c) ndryshimi i kthyeshëm i magnetizimit në lidhje me lakoren ngarkesë-shkarkim nën një fushë magnetike të aplikuar 5 T.

Fe3O4 e lartpërmendur Veçoritë elektrokimike, strukturore dhe magnetike të elektrodave tregojnë se kapaciteti shtesë i baterisë përcaktohet nga Fe0. Kapaciteti sipërfaqësor i polarizuar nga spin i nanogrimcave shkaktohet nga ndryshimet magnetike shoqëruese. Kapaciteti i polarizuar nga spin është rezultat i akumulimit të ngarkesës të polarizuar nga spin në ndërfaqe dhe mund të shfaqë një përgjigje magnetike gjatë ngarkimit dhe shkarkimit. ndaj Fe3O4Elektroda bazë, gjatë procesit të parë të shkarkimit, u shpërnda në nanogrimcat Li2Fine Fe në nënshtresën O. raporte të mëdha sipërfaqe-vëllim dhe realizojnë një densitet të lartë gjendjesh në nivel Fermi për shkak të orbitaleve d shumë të lokalizuara. Sipas modelit teorik të Maier-it të ruajtjes së ngarkesës hapësinore, autorët propozojnë që sasi të mëdha elektronesh mund të ruhen në brezat spin-ndarës të nanogrimcave metalike Fe, të cilat mund të gjenden në Fe/Li2Krijimi i kondensatorëve sipërfaqësor të polarizuar me spin në nanokompozitet O. Figura 5).

grafiku 5Fe/Li2A Paraqitja skematike e kapacitetit sipërfaqësor të elektroneve të polarizuara nga spin në ndërfaqen O. (A) diagrami skematik i densitetit të gjendjes së polarizimit të spinit të sipërfaqes së grimcave metalike ferromagnetike (para dhe pas shkarkimit), në kundërshtim me polarizimi me centrifugim i hekurit; (b) formimi i rajonit të ngarkesës hapësinore në modelin e kondensatorit sipërfaqësor të litiumit të mbivendosur.

Përmbledhje dhe pikëpamje

TM / Li u hetua nga monitorimi i avancuar magnetik in-situ2Evolucioni i strukturës së brendshme elektronike të nanokompozitit O për të zbuluar burimin e kapacitetit shtesë të ruajtjes për këtë bateri litium-jon. Rezultatet tregojnë se, si në sistemin e qelizave të modelit Fe3O4/Li, nanogrimcat e reduktuara elektrokimike të Fe mund të ruajnë sasi të mëdha elektronesh të polarizuara nga spin, duke rezultuar për shkak të kapacitetit të tepërt të qelizës dhe magnetizmit ndërfaqësor të ndryshuar ndjeshëm. Eksperimentet vërtetuan më tej CoO, NiO dhe FeF2And Fe2 Prania e një kapaciteti të tillë në materialin e elektrodës N tregon ekzistencën e kapacitetit sipërfaqësor të polarizuar me spin të nanogrimcave metalike në bateritë e joneve të litiumit dhe vendos themelin për zbatimin e këtij mekanizmi të ruajtjes së ngarkesës hapësinore në tranzicion të tjerë. materiale elektroda me bazë komponimi metalik.

Lidhja e letërsisë

Kapaciteti shtesë i ruajtjes në bateritë litium-jon oksid metali në tranzicion i zbuluar nga magnetometria në vend (Nature Materials , 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

Ndikimi i formulës së projektimit të vaferës së elektrodës së litiumit dhe defekteve të vaferës së elektrodës në performancën

1. Artikulli i themelimit të dizajnit të filmit pole

Elektroda e baterisë së litiumit është një shtresë e përbërë nga grimca, të aplikuara në mënyrë të barabartë në lëngun metalik. Veshja e elektrodës së baterisë me jon litium mund të konsiderohet si një material i përbërë, kryesisht i përbërë nga tre pjesë:

(1) Grimcat e substancës aktive;

(2) faza përbërëse e agjentit përçues dhe agjenti (faza ngjitëse e karbonit);

(3) Pore, mbusheni me elektrolit.

Marrëdhënia e vëllimit të çdo faze shprehet si:

Poroziteti + fraksioni vëllimor i lëndës së gjallë + fraksioni vëllimor i fazës ngjitëse të karbonit =1

Dizajni i dizajnit të elektrodës së baterisë së litiumit është shumë i rëndësishëm, dhe tani njohuritë themelore të dizajnit të elektrodës së baterisë litium janë prezantuar shkurtimisht.

(1) Kapaciteti teorik i materialit të elektrodës Kapaciteti teorik i materialit të elektrodës, domethënë kapaciteti i siguruar nga të gjithë jonet e litiumit në materialin e përfshirë në reaksionin elektrokimik, vlera e tij llogaritet me ekuacionin e mëposhtëm:

Për shembull, masa molare LiFePO4 është 157.756 g/mol, dhe kapaciteti i saj teorik është:

Kjo vlerë e llogaritur është vetëm kapaciteti teorik i gramit. Për të siguruar strukturën e kthyeshme të materialit, koeficienti aktual i heqjes së joneve të litiumit është më i vogël se 1, dhe kapaciteti aktual gram i materialit është:

Kapaciteti aktual gram i materialit = kapaciteti teorik i koeficientit të shkëputjes së joneve të litiumit

(2) Kapaciteti i projektimit të baterisë dhe densiteti jashtëzakonisht i njëanshëm Kapaciteti i projektimit të baterisë mund të llogaritet me formulën e mëposhtme: kapaciteti i projektimit të baterisë = densiteti i sipërfaqes së veshjes raporti i materialit aktiv, kapaciteti i materialit aktiv gram, zona e veshjes së fletës së poleve

Midis tyre, densiteti i sipërfaqes së veshjes është një parametër kryesor i projektimit. Kur dendësia e ngjeshjes është e pandryshuar, rritja e densitetit të sipërfaqes së veshjes do të thotë se trashësia e fletës së poleve rritet, distanca e transmetimit të elektroneve rritet dhe rezistenca e elektroneve rritet, por shkalla e rritjes është e kufizuar. Në fletën e trashë të elektrodës, rritja e rezistencës së migrimit të joneve të litiumit në elektrolit është arsyeja kryesore që ndikon në karakteristikat e raportit. Duke marrë parasysh porozitetin dhe kthesat e poreve, distanca e migrimit të joneve në pore është shumë herë më e madhe se trashësia e fletës së poleve.

(3) Raporti i raportit të kapacitetit negativ-pozitiv N/P kapacitet negativ ndaj kapacitetit pozitiv përcaktohet si:

N/P duhet të jetë më i madh se 1.0, në përgjithësi 1.04 ~ 1.20, i cili është kryesisht në dizajnin e sigurisë, për të parandaluar reshjet nga ana negative e jonit të litiumit pa burim pranimi, dizajni për të marrë parasysh kapacitetin e procesit, siç është devijimi i veshjes. Megjithatë, kur N/P është shumë i madh, bateria do të humbasë kapacitetin e pakthyeshëm, duke rezultuar në kapacitet të ulët të baterisë dhe densitet më të ulët të energjisë së baterisë.

Për anodën e titanatit të litiumit, modeli i tepërt i elektrodës pozitive është miratuar dhe kapaciteti i baterisë përcaktohet nga kapaciteti i anodës titanate të litiumit. Dizajni pozitiv i tepërt është i favorshëm për përmirësimin e performancës së baterisë në temperaturë të lartë: gazi me temperaturë të lartë vjen kryesisht nga elektroda negative. Në modelin pozitiv të tepërt, potenciali negativ është i ulët dhe është më e lehtë të formohet film SEI në sipërfaqen e titanatit të litiumit.

(4) Dendësia e ngjeshjes dhe poroziteti i veshjes Në procesin e prodhimit, dendësia e ngjeshjes së veshjes së elektrodës së baterisë llogaritet me formulën e mëposhtme. Duke marrë parasysh që kur fleta e shtyllës rrotullohet, fleta metalike zgjatet, dendësia e sipërfaqes së veshjes pas rulit llogaritet me formulën e mëposhtme.

Siç u përmend më herët, veshja përbëhet nga faza e materialit të gjallë, faza ngjitëse e karbonit dhe poret, dhe poroziteti mund të llogaritet nga ekuacioni i mëposhtëm.

Midis tyre, dendësia mesatare e veshjes është: elektroda e baterisë së litiumit është një lloj grimcash pluhuri të veshjes, sepse sipërfaqja e grimcave pluhur është e përafërt, në formë të parregullt, kur grumbullohet, grimcat midis grimcave dhe grimcave, dhe disa grimca vetë kanë çarje dhe pore, Pra, vëllimi i pluhurit duke përfshirë vëllimin e pluhurit, poret midis grimcave të pluhurit dhe grimcave, prandaj, shumëllojshmëria përkatëse e densitetit të veshjes së elektrodës dhe përfaqësimit të porozitetit. Dendësia e grimcave të pluhurit i referohet masës së pluhurit për njësi vëllimi. Sipas vëllimit të pluhurit, ai ndahet në tre lloje: dendësia e vërtetë, dendësia e grimcave dhe dendësia e grumbullimit. Dendësitë e ndryshme përcaktohen si më poshtë:

1. Dendësia e vërtetë i referohet densitetit të përftuar nga pjesëtimi i masës së pluhurit me vëllimin (vëllimi real) duke përjashtuar boshllëqet e brendshme dhe të jashtme të grimcave. Kjo do të thotë, dendësia e vetë materies është marrë pas përjashtimit të vëllimit të të gjitha zbrazëtirave.
2. Dendësia e grimcave i referohet densitetit të grimcave të përftuara nga pjesëtimi i masës së pluhurit të ndarë me vëllimin e grimcave duke përfshirë vrimën e hapur dhe vrimën e mbyllur. Kjo është, hendeku midis grimcave, por jo poret e imëta brenda grimcave, dendësia e vetë grimcave.
3. Dendësia e akumulimit, domethënë dendësia e veshjes, i referohet dendësisë së përftuar nga masa e pluhurit e ndarë me vëllimin e veshjes së formuar nga pluhuri. Vëllimi i përdorur përfshin poret e vetë grimcave dhe boshllëqet midis grimcave.

Për të njëjtin pluhur, dendësia e vërtetë> dendësia e grimcave> dendësia e paketimit. Poroziteti i pluhurit është raporti i poreve në veshjen e grimcave pluhur, domethënë raporti i vëllimit të zbrazëtirës midis grimcave të pluhurit dhe poreve të grimcave me vëllimin e përgjithshëm të veshjes, i cili zakonisht shprehet si përqindje. Poroziteti i pluhurit është një veti gjithëpërfshirëse që lidhet me morfologjinë e grimcave, gjendjen e sipërfaqes, madhësinë e grimcave dhe shpërndarjen e madhësisë së grimcave. Poroziteti i tij ndikon drejtpërdrejt në infiltrimin e elektrolitit dhe transmetimit të joneve të litiumit. Në përgjithësi, sa më i madh të jetë poroziteti, aq më i lehtë është infiltrimi i elektrolitit dhe aq më i shpejtë është transmetimi i joneve të litiumit. Prandaj, në hartimin e baterive litium, ndonjëherë për të përcaktuar porozitetin, metoda e presionit të merkurit të përdorur zakonisht, metoda e adsorbimit të gazit, etj. Mund të merret edhe duke përdorur llogaritjen e densitetit. Poroziteti mund të ketë gjithashtu implikime të ndryshme kur përdoren dendësi të ndryshme për llogaritjet. Kur dendësia e porozitetit të substancës së gjallë, agjentit përcjellës dhe lidhësit llogaritet me densitetin e vërtetë, poroziteti i llogaritur përfshin hendekun midis grimcave dhe hendekut brenda grimcave. Kur poroziteti i substancës së gjallë, agjentit përcjellës dhe lidhësit llogaritet nga dendësia e grimcave, poroziteti i llogaritur përfshin hendekun midis grimcave, por jo hendekun brenda grimcave. Prandaj, madhësia e poreve të fletës së elektrodës së baterisë së litiumit është gjithashtu në shumë shkallë, përgjithësisht hendeku midis grimcave është në madhësinë e shkallës mikron, ndërsa hendeku brenda grimcave është në shkallën nanometër në nën-nën mikron. Në elektrodat poroze, marrëdhënia e vetive të transportit si difuziviteti efektiv dhe përçueshmëria mund të shprehet me ekuacionin e mëposhtëm:

Ku D0 përfaqëson shpejtësinë e brendshme të difuzionit (përçimit) të vetë materialit, ε është fraksioni vëllimor i fazës përkatëse dhe τ është lakimi qarkor i fazës përkatëse. Në modelin homogjen makroskopik, përdoret përgjithësisht relacioni Bruggeman, duke marrë koeficientin ɑ =1.5 për të vlerësuar pozitivitetin efektiv të elektrodave poroze.

Elektroliti mbushet në poret e elektrodave poroze, në të cilat jonet e litiumit përçohen përmes elektrolitit, dhe karakteristikat e përcjelljes së joneve të litiumit janë të lidhura ngushtë me porozitetin. Sa më i madh të jetë poroziteti, aq më i lartë është fraksioni vëllimor i fazës së elektrolitit dhe aq më e madhe është përçueshmëria efektive e joneve të litiumit. Në fletën e elektrodës pozitive, elektronet transmetohen përmes fazës ngjitëse të karbonit, fraksioni vëllimor i fazës ngjitëse të karbonit dhe devijimi i fazës ngjitëse të karbonit përcaktojnë drejtpërdrejt përçueshmërinë efektive të elektroneve.

Poroziteti dhe fraksioni vëllimor i fazës ngjitëse të karbonit janë kontradiktore, dhe poroziteti i madh çon në mënyrë të pashmangshme në fraksionin vëllimor të fazës ngjitëse të karbonit, prandaj, vetitë e përçueshmërisë efektive të joneve të litiumit dhe elektroneve janë gjithashtu kontradiktore, siç tregohet në figurën 2. Me zvogëlimin e porozitetit, përçueshmëria efektive e joneve të litiumit zvogëlohet ndërsa përçueshmëria efektive e elektroneve rritet. Mënyra se si të balancohen të dyja është gjithashtu kritike në dizajnin e elektrodës.

Figura 2 Diagrami skematik i porozitetit dhe përçueshmërisë së joneve të litiumit dhe elektroneve

2. Lloji dhe zbulimi i defekteve të shtyllave

 

Aktualisht, në procesin e përgatitjes së shtyllës së baterisë, përdoren gjithnjë e më shumë teknologji të zbulimit në internet, në mënyrë që të identifikohen në mënyrë efektive defektet e prodhimit të produkteve, të eliminohen produktet me defekt dhe reagimet në kohë në linjën e prodhimit, rregullimet automatike ose manuale të prodhimit. proces, për të reduktuar shkallën e defektit.

Teknologjitë e zbulimit on-line të përdorura zakonisht në prodhimin e fletëve të shtyllave përfshijnë zbulimin e karakteristikave të llumit, zbulimin e cilësisë së fletës së poleve, zbulimin e dimensioneve dhe kështu me radhë, Për shembull: (1) matësi i viskozitetit në internet është instaluar drejtpërdrejt në rezervuarin e ruajtjes së veshjes për të zbuluar reologjike karakteristikat e slurry në kohë reale, Testimi i qëndrueshmërisë së slurry; (2) Përdorimi i rrezeve X ose β-ray në procesin e veshjes, saktësia e tij e lartë e matjes, por rrezatimi i madh, çmimi i lartë i pajisjeve dhe problemet e mirëmbajtjes; (3) Teknologjia e matjes së trashësisë me lazer në internet aplikohet për të matur trashësinë e fletës së shtyllës, Saktësia e matjes mund të arrijë ± 1. 0 μ m, Mund të shfaq gjithashtu trendin e ndryshimit të trashësisë dhe trashësisë së matur në kohë reale, Lehtëson gjurmueshmërinë e të dhënave dhe analiza; (4) Teknologjia e vizionit CCD, domethënë, grupi i linjës CCD përdoret për të skanuar objektin e matur, përpunimin e imazhit në kohë reale dhe analizën e kategorive të defekteve, Realizon zbulimin jo-shkatërrues në internet të defekteve të sipërfaqes së fletës së poleve.

Si një mjet për kontrollin e cilësisë, teknologjia e testimit në internet është gjithashtu thelbësore për të kuptuar korrelacionin midis defekteve dhe performancës së baterisë, në mënyrë që të përcaktohen kriteret e kualifikuara / të pakualifikuara për produktet gjysëm të gatshme.

Në pjesën e fundit, prezantohet shkurtimisht metoda e re e teknologjisë së zbulimit të defekteve sipërfaqësore të baterisë litium-jon, teknologjia e imazhit termik infra të kuqe dhe marrëdhënia midis këtyre defekteve të ndryshme dhe performancës elektrokimike. konsultohuni me D. Mohanty Një studim i plotë nga Mohanty et al.

(1) Defekte të zakonshme në sipërfaqen e fletës së shtyllës

Figura 3 tregon defektet e zakonshme në sipërfaqen e elektrodës së baterisë me jon litium, me imazhin optik në të majtë dhe imazhin e kapur nga imazheri termik në të djathtë.

Figura 3 Defekte të zakonshme në sipërfaqen e fletës së shtyllës: (a, b) mbështjellësi i fryrjes / agregati; (c, d) materiali i rënies / vrima; (e, f) trup i huaj metalik; (g, h) veshje e pabarabartë

 

(A, b) fryrje / agregat i ngritur, defekte të tilla mund të ndodhin nëse llumi trazohet në mënyrë të barabartë ose shpejtësia e veshjes është e paqëndrueshme. Grumbullimi i agjentëve përçues ngjitës dhe të zinj të karbonit çon në përmbajtje të ulët të përbërësve aktivë dhe peshë të lehtë të tabletave polare.

 

(c, d) rënie / vrima, këto zona me defekt nuk janë të veshura dhe zakonisht prodhohen nga flluska në llum. Ato zvogëlojnë sasinë e materialit aktiv dhe e ekspozojnë kolektorin ndaj elektrolitit, duke ulur kështu kapacitetin elektrokimik.

 

(E, f) trupat e huaj metalikë, pluhuri ose trupat e huaj metalikë të futur në pajisje dhe mjedis, dhe trupat e huaj metalikë mund të shkaktojnë dëm të madh për bateritë e litiumit. Grimcat e mëdha metalike dëmtojnë drejtpërdrejt diafragmën, duke rezultuar në një qark të shkurtër midis elektrodave pozitive dhe negative, që është një qark i shkurtër fizik. Përveç kësaj, kur trupi i huaj metalik përzihet në elektrodën pozitive, potenciali pozitiv rritet pas karikimit, metali zgjidhet, përhapet përmes elektrolitit dhe më pas precipiton në sipërfaqen negative dhe në fund shpon diafragmën, duke formuar një qark të shkurtër. që është një qark i shkurtër i tretjes kimike. Trupat e huaj metalikë më të zakonshëm në vendin e fabrikës së baterive janë Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS, etj.

 

(g, h) veshja e pabarabartë, si p.sh. përzierja e slurit nuk është e mjaftueshme, imtësia e grimcave është e lehtë për t'u shfaqur vija kur grimca është e madhe, duke rezultuar në veshje të pabarabartë, e cila do të ndikojë në qëndrueshmërinë e kapacitetit të baterisë dhe madje do të shfaqet plotësisht nuk ka shirit veshjeje, ka ndikim në kapacitetin dhe sigurinë.

(2) Teknologjia e zbulimit të defektit të sipërfaqes së çipit të shtyllës Teknologjia e imazhit termik me rreze infra të kuqe (IR) përdoret për të zbuluar defekte të vogla në elektroda të thata që mund të dëmtojnë performancën e baterive litium-jon. Gjatë zbulimit në internet, nëse zbulohet defekti ose ndotësi i elektrodës, shënojeni atë në fletën e shtyllës, eliminoni atë në procesin pasues dhe kthejeni atë në linjën e prodhimit dhe rregulloni procesin në kohë për të eliminuar defektet. Rrezet infra të kuqe janë një lloj valë elektromagnetike që ka të njëjtën natyrë si valët e radios dhe dritën e dukshme. Një pajisje e veçantë elektronike përdoret për të kthyer shpërndarjen e temperaturës së sipërfaqes së një objekti në një imazh të dukshëm të syrit të njeriut dhe për të shfaqur shpërndarjen e temperaturës së sipërfaqes së një objekti me ngjyra të ndryshme quhet teknologji e imazhit termik infra të kuqe. Kjo pajisje elektronike quhet imazher termik infra të kuqe. Të gjitha objektet mbi zero absolute (-273℃) lëshojnë rrezatim infra të kuqe.
Siç tregohet në figurën 4, përafruesi termik infra të kuqe (Kamera IR) përdor detektorin infra të kuqe dhe objektivin e imazhit optik për të pranuar modelin e shpërndarjes së energjisë së rrezatimit infra të kuqe të objektit të synuar të matur dhe ta pasqyrojë atë në elementin fotosensiv të detektorit infra të kuq për të marrë imazh termik infra të kuqe, që korrespondon me fushën e shpërndarjes termike në sipërfaqen e objektit. Kur ka një defekt në sipërfaqen e një objekti, temperatura ndryshon në zonë. Prandaj, kjo teknologji mund të përdoret edhe për të zbuluar defektet në sipërfaqen e objektit, veçanërisht e përshtatshme për disa defekte që nuk mund të dallohen nga mjetet e zbulimit optik. Kur elektroda e tharjes së baterisë së litiumit zbulohet në internet, elektroda e elektrodës së pari rrezatohet nga blici, temperatura e sipërfaqes ndryshon dhe më pas temperatura e sipërfaqes zbulohet me një imazh termik. Imazhi i shpërndarjes së nxehtësisë vizualizohet, dhe imazhi përpunohet dhe analizohet në kohë reale për të zbuluar defektet e sipërfaqes dhe për t'i shënuar ato në kohë.D. Mohanty Studimi instaloi një imazher termik në daljen e furrës së tharjes së veshjes për të zbuluar imazhin e shpërndarjes së temperaturës së sipërfaqes së fletës së elektrodës.

Figura 5 (a) është një hartë e shpërndarjes së temperaturës së sipërfaqes së veshjes së fletës së poleve pozitive NMC e zbuluar nga imazheri termik, e cila përmban një defekt shumë të vogël që nuk mund të dallohet me sy të lirë. Lakorja e shpërndarjes së temperaturës që korrespondon me segmentin e rrugës tregohet në pjesën e brendshme, me një rritje të temperaturës në pikën e defektit. Në figurën 5 (b), temperatura rritet lokalisht në kutinë përkatëse, që korrespondon me defektin e sipërfaqes së fletës së shtyllës. FIK. 6 është një diagram i shpërndarjes së temperaturës sipërfaqësore të fletës së elektrodës negative që tregon ekzistencën e defekteve, ku kulmi i rritjes së temperaturës korrespondon me flluskën ose agregatin, dhe zona e uljes së temperaturës korrespondon me vrimën ose rënien.

Figura 5 Shpërndarja e temperaturës së sipërfaqes së fletës së elektrodës pozitive

Figura 6 Shpërndarja e temperaturës së sipërfaqes së elektrodës negative

 

Mund të shihet se zbulimi termik i imazhit të shpërndarjes së temperaturës është një mjet i mirë për zbulimin e defektit të sipërfaqes së fletës së poleve, i cili mund të përdoret për kontrollin e cilësisë së prodhimit të fletës së poleve.3. Efekti i defekteve të sipërfaqes së fletës së shtyllës në performancën e baterisë

 

(1) Ndikimi në kapacitetin e shumëzuesit të baterisë dhe efikasitetin e Kulombit

Figura 7 tregon lakoren e ndikimit të agregatit dhe vrimës në kapacitetin e shumëzuesit të baterisë dhe efikasitetin e kulenit. Agregati në fakt mund të përmirësojë kapacitetin e baterisë, por të zvogëlojë efikasitetin e kulenit. Vrima e pinit zvogëlon kapacitetin e baterisë dhe efikasitetin e Kulun, dhe efikasiteti i Kulun zvogëlohet shumë me shpejtësi të lartë.

Figura 7 Agregati i katodës dhe efekti i vrimës në kapacitetin e baterisë dhe efikasiteti i figurës 8 është një shtresë e pabarabartë, dhe trupi i huaj metalik Co dhe Al në kapacitetin e baterisë dhe efekti i kurbës së efikasitetit, veshja e pabarabartë zvogëlon kapacitetin e masës së njësisë së baterisë 10% - 20%, por i gjithë kapaciteti i baterisë u ul me 60%, kjo tregon se masa e gjallë në copën polare u zvogëlua ndjeshëm. Metal Co trupi i huaj ka kapacitet të reduktuar dhe efikasitet Kulomb, edhe në zmadhim të lartë 2C dhe 5C, pa kapacitet fare, gjë që mund të jetë për shkak të formimit të metalit Co në reaksionin elektrokimik të litiumit dhe litiumit të ngulitur, ose mund të jenë grimcat metalike bllokuar pore diafragmë shkaktuar mikro qark të shkurtër.

Figura 8 Efektet e veshjes së pabarabartë të elektrodës pozitive dhe trupave të huaj metalikë Co dhe Al në kapacitetin e shumëzuesit të baterisë dhe efikasitetin e kulenit

Përmbledhje e defekteve të fletës së katodës: Përbërja në veshjen e fletës së katodës zvogëlon efikasitetin Coulomb të baterisë. Vrima e gjilpërës së veshjes pozitive zvogëlon efikasitetin e Kulombit, duke rezultuar në performancë të dobët të shumëzuesit, veçanërisht në densitet të lartë të rrymës. Veshja heterogjene tregoi performancë të dobët zmadhimi. Ndotësit e grimcave metalike mund të shkaktojnë mikroqarqe të shkurtra dhe për këtë arsye mund të ulin shumë kapacitetin e baterisë.
Figura 9 tregon ndikimin e shiritit të fletës me rrjedhje negative në kapacitetin e shumëzuesit dhe efikasitetin Kulun të baterisë. Kur rrjedhja ndodh në elektrodën negative, kapaciteti i baterisë zvogëlohet ndjeshëm, por kapaciteti gram nuk është i dukshëm dhe ndikimi në efikasitetin e Kulun nuk është i rëndësishëm.

 

Figura 9 Ndikimi i shiritit të fletës së fletës së rrjedhjes së elektrodës negative në kapacitetin e shumëzuesit të baterisë dhe efikasitetin e Kulun (2) Ndikimi në performancën e ciklit të shumëzuesit të baterisë Figura 10 është rezultat i ndikimit të defektit të sipërfaqes së elektrodës në ciklin e shumëzuesit të baterisë. Rezultatet e ndikimit janë përmbledhur si më poshtë:
Egregimi: në 2C, shkalla e mirëmbajtjes së kapacitetit për 200 cikle është 70% dhe bateria me defekt është 12%, ndërsa në ciklin 5C, shkalla e mirëmbajtjes së kapacitetit prej 200 ciklesh është 50% dhe bateria me defekt është 14%.
Vrima e gjilpërës: zbutja e kapacitetit është e dukshme, por asnjë zbutje e defektit agregat nuk është e shpejtë, dhe shkalla e mirëmbajtjes së kapacitetit prej 200 cikleve 2C dhe 5C është përkatësisht 47% dhe 40%.
Trup i huaj metalik: kapaciteti i trupit të huaj metalik Co është pothuajse 0 pas disa cikleve, dhe kapaciteti i ciklit 5C i petë metalike të trupit të huaj Al zvogëlohet ndjeshëm.
Shirit rrjedhjeje: Për të njëjtën zonë rrjedhjeje, kapaciteti i baterisë i shumë shiritave më të vegjël zvogëlohet më shpejt se një shirit më i madh (47% për 200 cikle në 5C) (7% për 200 cikle në 5C). Kjo tregon se sa më i madh të jetë numri i shiritave, aq më i madh është ndikimi në ciklin e baterisë.

Figura 10 Efekti i defekteve të sipërfaqes së fletës së elektrodës në ciklin e shpejtësisë së qelizave

 

Ref.: [1] Vlerësimi jo shkatërrues i elektrodave të baterive dytësore të litiumit të veshura me slot me anë të metodave të kaliperit lazer në linjë dhe termografisë IR [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Efekti. e defekteve të prodhimit të elektrodës në performancën elektrokimike të baterive litium-jon: Njohja e burimeve të dështimit të baterisë[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.