Avslöjar mysteriet: superteoretisk kapacitet i litiumjonbatterier
By hoppt
Varför litiumbatteri existerar superteoretisk kapacitetsfenomen
I litiumjonbatterier (LIB) uppvisar många övergångsmetalloxidbaserade elektroder ovanligt hög lagringskapacitet utöver deras teoretiska värde. Även om detta fenomen har rapporterats allmänt, förblir de underliggande fysikalisk-kemiska mekanismerna i dessa material svårfångade och förblir en fråga om debatt.
Resultatprofil
Nyligen publicerade professor Miao Guoxing från University of Waterloo, Kanada, professor Yu Guihua från University of Texas i Austin, och Li Hongsen och Li Qiang från Qingdao University tillsammans en forskningsartikel om Nature Materials under titeln "Extra lagringskapacitet i övergångsmetalloxid litiumjonbatterier avslöjas av in situ magnetometri". I detta arbete använde författarna in situ magnetisk övervakning för att demonstrera närvaron av stark ytkapacitans på metallnanopartiklar och att ett stort antal spinnpolariserade elektroner kan lagras i redan reducerade metallnanopartiklar, vilket överensstämmer med den rumsliga laddningsmekanismen. Dessutom kan den avslöjade rumsliga laddningsmekanismen utökas till andra övergångsmetallföreningar, vilket ger en viktig guide för etablering av avancerade energilagringssystem.
Forskning höjdpunkter
(1) En typisk Fe studerades genom att använda in-situ magnetisk övervakningsteknik3O4/ Evolution av den elektroniska strukturen inuti Li-batteriet;
(2) avslöjar att Fe3O4I / Li-systemet är ytladdningskapaciteten huvudkällan till den extra kapaciteten;
(3) Ytkapacitansmekanismen för metallnanopartiklar kan utökas till ett brett spektrum av övergångsmetallföreningar.
Text och textguide
- Strukturell karakterisering och elektrokemiska egenskaper
Monodisperse ihåliga Fe syntetiserades med konventionella hydrotermiska metoder3O4Nanospheres och utfördes sedan vid 100 mAg−1Charge och urladdning vid strömtäthet (Figur 1a), den första urladdningskapaciteten är 1718 mAh g−1, 1370 mAhg i andra och tredje gången, 1Och 1,364 1 mAhg−926, långt över 1 mAhg−1Teorin om förväntningar. BF-STEM-bilder av den helt urladdade produkten (Figur 3b-c) indikerar att efter litiumreduktion, Fe4O1 Nanosfärerna omvandlades till mindre Fe nanopartiklar som mäter cirka 3 - 2 nm, dispergerade i LiXNUMXO-centrum.
För att demonstrera förändringen i magnetism under den elektrokemiska cykeln erhölls en magnetiseringskurva efter full urladdning till 0.01 V (Figur 1d), som visar det superparamagnetiska beteendet på grund av bildandet av nanopartiklar.
Figur 1 (a) vid 100 mAg−1Fe av cyklingen vid strömtätheten3O4/ Konstant strömladdning och urladdningskurva för Li-batteri; (b) helt litium Fe3O4BF-STEM-bilden av elektroden; (c) närvaron av Li i de aggregate2High-upplösta BF-STEM-bilderna av både O och Fe; (d) Fe3O4 Hystereskurvorna för elektroden före (svart) och efter (blå), och den senares Langevin-passade kurva (lila).
- Realtidsdetektering av strukturell och magnetisk evolution
För att kombinera elektrokemin med Fe3O4Of strukturella och magnetiska förändringar kopplade till Fe3O4, utsattes elektroderna för in situ röntgendiffraktion (XRD) och in situ magnetisk övervakning. Fe i en serie av XRD-diffraktionsmönster under den initiala urladdningen från öppen kretsspänning (OCV) till 1.2V3O4Diffraktionstopparna förändrades inte signifikant i varken intensitet eller position (Figur 2a), vilket indikerar att Fe3O4Only upplevde Li-interkalationsprocessen. När den laddas till 3V förblir Fe3O4The antispinelstrukturen intakt, vilket tyder på att processen i detta spänningsfönster är mycket reversibel. Ytterligare in-situ magnetisk övervakning kombinerat med konstantström laddning-urladdning tester utfördes för att undersöka hur magnetisering utvecklas i realtid (Figur 2b).
Figur 2 Karakterisering av in situ XRD och magnetisk övervakning.(A) in situ XRD; (b) Fe3O4 Elektrokemisk laddning-urladdningskurva under 3 T applicerat magnetfält och motsvarande reversibel in situ magnetisk respons.
För att få en mer grundläggande förståelse av denna omvandlingsprocess i termer av magnetiseringsförändringar, samlas det magnetiska svaret in i realtid och motsvarande fasövergång som åtföljer elektrokemiskt drivna reaktioner (Figur 3). Det är helt klart att under den första urladdningen, Fe3O4. Magnetiseringssvaret hos elektroderna skiljer sig från de andra cyklerna på grund av Fe under den första lithaliseringen3O4. På grund av att den irreversibla fasövergången inträffar. När potentialen sjönk till 0.78V omvandlades Fe3O4The antispinelfasen till att innehålla Li2FeO-halitstrukturen av klass O, Fe3O4Fasen kan inte återställas efter laddning. På motsvarande sätt sjunker magnetiseringen snabbt till 0.482 μ b Fe−1. När litialiseringen fortskrider bildades ingen ny fas, och intensiteten av (200) och (220) klass FeO diffraktionstoppar började försvagas. lika Fe3O4 Det finns ingen signifikant XRD-topp kvar när elektroden är fullständigt liialiserad (Figur 3a). Observera att när Fe3O4-elektroden urladdas från 0.78V till 0.45V, magnetiseringen (från 0.482 μ b Fe−1 ökade till 1.266 μ bFe−1), tillskrevs detta omvandlingsreaktionen från FeO till Fe. Sedan, i slutet av urladdningen, minskade magnetiseringen långsamt till 1.132 μ B Fe−1. Detta fynd tyder på att de helt reducerade metall Fe0Nanopartiklarna fortfarande kan delta i litiumlagringsreaktionen, vilket minskar magnetiseringen av elektroderna.
Figur 3 Observationer på plats av fasövergången och det magnetiska svaret.（a）Fe3O4In situ XRD-karta samlad in under den första urladdningen av elektroden; (b) Fe3O4 In situ magnetisk kraftmätning av elektrokemiska cykler av / Li-celler vid ett applicerat magnetfält på 3 T.
- Fe0/Li2Surface kapacitans för O-systemet
Fe3O4De magnetiska förändringarna av elektroderna sker vid låga spänningar, vid vilka en ytterligare elektrokemisk kapacitet med största sannolikhet genereras, vilket tyder på närvaron av oupptäckta laddningsbärare i cellen. För att utforska den potentiella litiumlagringsmekanismen studerades Fe med hjälp av XPS, STEM och magnetiska prestandaspektrum3O4 Elektroder av magnetiseringstoppar vid 0.01V, 0.45V och 1.4V för att bestämma källan till den magnetiska förändringen. Resultaten visar att det magnetiska momentet är en nyckelfaktor som påverkar den magnetiska förändringen, eftersom den uppmätta Fe0/Li2The Ms i O-systemet inte påverkas av den magnetiska anisotropin och interpartikelkopplingen.
För att ytterligare förstå Fe3O4 De kinetiska egenskaperna hos elektroderna vid låg spänning, cyklisk voltammetri vid olika skanningshastigheter. Såsom visas i figur 4a uppträder den rektangulära cykliska voltammogramkurvan inom spänningsområdet mellan 0.01V och 1V (figur 4a). Figur 4b visar att det kapacitiva Fe3O4A-svaret inträffade på elektroden. Med det mycket reversibla magnetiska svaret från den konstanta strömladdningen och urladdningsprocessen (Figur 4c), minskade magnetiseringen av elektroden från 1V till 0.01V under urladdningsprocessen och ökade igen under laddningsprocessen, vilket indikerar att Fe0Of den kondensatorliknande ytreaktionen är mycket reversibel.
Figur 4 elektrokemiska egenskaper och in situ magnetisk karakterisering vid 0.011 V.(A) Den cykliska voltammetriska kurvan.(B) b-värdet bestäms med hjälp av korrelationen mellan toppströmmen och skanningshastigheten; (c) den reversibla förändringen av magnetiseringen i förhållande till laddningsurladdningskurvan under ett 5 T applicerat magnetfält.
ovannämnda Fe3O4De elektrokemiska, strukturella och magnetiska egenskaperna hos elektroderna indikerar att den extra batterikapaciteten bestäms av Fe0. Den spinnpolariserade ytkapacitansen hos nanopartiklarna orsakas av de medföljande magnetiska förändringarna. Den spinnpolariserade kapacitansen är resultatet av spinnpolariserad laddningsackumulering vid gränssnittet och kan visa ett magnetiskt svar under laddning och urladdning. till Fe3O4 Baselektroden, under den första urladdningsprocessen, dispergerades i Li2Fine Fe nanopartiklar i O-substratet har stora yta-till-volym-förhållanden och realiserar en hög densitet av tillstånd på Fermi-nivån på grund av de mycket lokaliserade d-orbitalerna. Enligt Maiers teoretiska modell för rumslig laddningslagring, föreslår författarna att stora mängder elektroner kan lagras i de spinnuppdelande banden av metalliska Fe nanopartiklar, som kan hittas i Fe / Li2Creating spin-polarized ytkondensatorer i O nanocomposites ( Figur 5).
graf 5Fe/Li2A Schematisk representation av ytkapacitansen för de spinnpolariserade elektronerna vid O-gränssnittet.(A) det schematiska diagrammet över spinnpolarisationstillståndstätheten på ytan av ferromagnetiska metallpartiklar (före och efter urladdning), i motsats till bulkspinpolariseringen av järn; (b) bildandet av rymdladdningsområdet i ytkondensatormodellen av överlagrat litium.
Sammanfattning och Outlook
TM / Li undersöktes genom avancerad magnetisk övervakning på plats2. Utvecklingen av den interna elektroniska strukturen hos O nanokompositen för att avslöja källan till ytterligare lagringskapacitet för detta litiumjonbatteri. Resultaten visar att både i Fe3O4/Li-modellcellsystemet kan elektrokemiskt reducerade Fe-nanopartiklar lagra stora mängder spinnpolariserade elektroner, vilket resulterar på grund av överdriven cellkapacitet och signifikant förändrad gränssnittsmagnetism. Experiment validerade ytterligare CoO, NiO och FeF2And Fe2. Närvaron av sådan kapacitans i N-elektrodmaterial indikerar förekomsten av spinnpolariserad ytkapacitans hos metallnanopartiklar i litiumjonbatterier och lägger grunden för tillämpningen av denna rumsliga laddningslagringsmekanism i andra övergångar metallföreningsbaserade elektrodmaterial.
Litteraturlänk
Extra lagringskapacitet i övergångsmetalloxid litiumjonbatterier avslöjas av in situ magnetometri (Nature Materials , 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)
Inverkan av designformeln för litiumelektrodskivor och defekter på elektrodskivan på prestanda
- Pole film design foundation artikel
Litiumbatteriets elektrod är en beläggning som består av partiklar som appliceras jämnt på metallvätskan. Litiumjonbatterielektrodbeläggning kan betraktas som ett kompositmaterial, huvudsakligen sammansatt av tre delar:
(1) Partiklar av aktiv substans;
(2) den ingående fasen av det ledande medlet och medlet (kollimfas);
(3) Por, fyll med elektrolyten.
Volymförhållandet för varje fas uttrycks som:
Porositet + volymfraktion av levande material + volymfraktion av kollimfas =1
Designen av litiumbatterielektroddesign är mycket viktig, och nu introduceras den grundläggande kunskapen om litiumbatterielektroddesign kort.
(1) Elektrodmaterialets teoretiska kapacitet Den teoretiska kapaciteten hos elektrodmaterialet, det vill säga den kapacitet som tillhandahålls av alla litiumjoner i materialet som är involverat i den elektrokemiska reaktionen, dess värde beräknas med följande ekvation:
Till exempel är LiFePO4The molära massa 157.756 g/mol, och dess teoretiska kapacitet är:
Detta beräknade värde är endast den teoretiska gramkapaciteten. För att säkerställa materialets reversibla struktur är den faktiska borttagningskoefficienten för litiumjoner mindre än 1, och materialets faktiska gramkapacitet är:
Faktisk gramkapacitet av materialet = teoretisk kapacitet för litiumjonavskiljningskoefficient
(2) Batteriets konstruktionskapacitet och extremt enkelsidig densitet Batteriets konstruktionskapacitet kan beräknas med följande formel: Batteriets konstruktionskapacitet = beläggningens ytdensitet aktivt material förhållande aktivt material gram kapacitet polplåtens beläggningsarea
Bland dem är ytdensiteten hos beläggningen en nyckeldesignparameter. När packningsdensiteten är oförändrad innebär ökningen av beläggningens ytdensitet att polskivans tjocklek ökar, elektrontransmissionsavståndet ökar och elektronresistansen ökar, men ökningsgraden är begränsad. I det tjocka elektrodskiktet är ökningen av migrationsimpedansen för litiumjoner i elektrolyten huvudorsaken som påverkar förhållandets egenskaper. Med tanke på porositeten och porvridningarna är migrationsavståndet för joner i poren många gånger större än tjockleken på polskivan.
(3) Förhållandet mellan negativ-positiv kapacitetsförhållande N/P negativ kapacitet och positiv kapacitet definieras som:
N / P bör vara större än 1.0, i allmänhet 1.04 ~ 1.20, vilket huvudsakligen är i säkerhetsdesignen, för att förhindra den negativa sidan litiumjon från utfällning utan acceptanskälla, design för att beakta processkapaciteten, såsom beläggningsavvikelse. Men när N/P är för stort kommer batteriet att förlora irreversibel kapacitet, vilket resulterar i låg batterikapacitet och lägre batteritäthet.
För litiumtitanatanoden antas den positiva elektrodöverskottsdesignen, och batterikapaciteten bestäms av litiumtitanatanodens kapacitet. Den positiva överskottsdesignen bidrar till att förbättra batteriets högtemperaturprestanda: högtemperaturgasen kommer huvudsakligen från den negativa elektroden. I den positiva överskottsdesignen är den negativa potentialen låg och det är lättare att bilda SEI-film på ytan av litiumtitanat.
(4) Beläggningens komprimeringsdensitet och porositet I produktionsprocessen beräknas beläggningskomprimeringsdensiteten för batterielektroden med följande formel. Med tanke på att när polarket valsas, förlängs metallfolien, beräknas ytdensiteten för beläggningen efter valsen med följande formel.
Som tidigare nämnts består beläggningen av levande materialfas, kollimfas och por, och porositeten kan beräknas med följande ekvation.
Bland dem är den genomsnittliga tätheten av beläggning: litiumbatterielektrod är en slags pulverpartiklar av beläggning, eftersom pulverpartikelytan är grov, oregelbunden form, vid ackumulering, partiklar mellan partiklar och partiklar, och vissa partiklar i sig har sprickor och porer, så pulvervolym inklusive pulvervolym, porerna mellan pulverpartiklarna och partiklarna, därför motsvarande variation av elektrodbeläggningstäthet och porositetsrepresentation. Pulverpartiklarnas densitet avser pulvrets massa per volymenhet. Beroende på pulvrets volym är det uppdelat i tre typer: sann densitet, partikeldensitet och ackumuleringsdensitet. De olika densiteterna definieras enligt följande:
- Sann densitet hänvisar till densiteten som erhålls genom att dividera pulvermassan med volymen (verklig volym) exklusive partiklarnas inre och yttre gap. Det vill säga densiteten av själva materien som erhålls efter exkludering av volymen av alla tomrum.
- Partikeldensitet avser densiteten av partiklar som erhålls genom att dividera pulvermassan dividerat med partikelvolymen inklusive det öppna hålet och det stängda hålet. Det vill säga gapet mellan partiklarna, men inte de fina porerna inuti partiklarna, densiteten hos själva partiklarna.
- Ackumuleringsdensitet, det vill säga beläggningstäthet, avser densiteten som erhålls av pulvermassan dividerat med volymen av beläggningen som bildas av pulvret. Den använda volymen inkluderar själva partiklarnas porer och hålrummen mellan partiklarna.
För samma pulver, sann densitet> partikeldensitet> packningsdensitet. Pulvrets porositet är förhållandet mellan porerna i pulverpartikelbeläggningen, det vill säga förhållandet mellan volymen av tomrummet mellan pulverpartiklarna och partiklarnas porer och beläggningens totala volym, vilket vanligtvis uttrycks i procent. Pulvrets porositet är en omfattande egenskap relaterad till partikelmorfologi, yttillstånd, partikelstorlek och partikelstorleksfördelning. Dess porositet påverkar direkt infiltrationen av elektrolyt- och litiumjonöverföring. I allmänhet gäller att ju större porositeten är, desto lättare är elektrolytinfiltrationen och desto snabbare blir litiumjonöverföringen. Därför, i utformningen av litiumbatteri, ibland för att bestämma porositeten, vanlig kvicksilvertrycksmetod, gasadsorptionsmetod etc. Kan också erhållas genom att använda densitetsberäkningen. Porositeten kan också ha olika implikationer när man använder olika densiteter för beräkningarna. När densiteten för porositeten för det levande ämnet, det ledande medlet och bindemedlet beräknas av den verkliga densiteten, inkluderar den beräknade porositeten gapet mellan partiklarna och gapet inuti partiklarna. När porositeten för det levande ämnet, ledande medlet och bindemedlet beräknas av partikeldensiteten, inkluderar den beräknade porositeten gapet mellan partiklarna, men inte gapet inuti partiklarna. Därför är porstorleken på litiumbatteriets elektrodskiva också multi-skala, i allmänhet är gapet mellan partiklarna i mikron skala, medan gapet inuti partiklarna är i nanometer till sub-submikron skala. I porösa elektroder kan förhållandet mellan transportegenskaper såsom effektiv diffusivitet och konduktivitet uttryckas med följande ekvation:
Där DO representerar den inneboende diffusionshastigheten (ledningshastigheten) för själva materialet, är ε volymfraktionen av motsvarande fas, och τ är den kretsgående krökningen för motsvarande fas. I den makroskopiska homogena modellen används vanligtvis Bruggeman-relationen, med koefficienten ɑ = 0 för att uppskatta den effektiva positiviteten hos de porösa elektroderna.
Elektrolyten fylls i porerna på de porösa elektroderna, i vilka litiumjonerna leds genom elektrolyten, och litiumjonernas ledningsegenskaper är nära relaterade till porositeten. Ju större porositet, desto högre volymfraktion av elektrolytfasen, och desto högre är den effektiva ledningsförmågan hos litiumjoner. I det positiva elektrodskiktet överförs elektroner genom kollimfasen, volymfraktionen av kollimfasen och omvägen av kollimfasen bestämmer direkt elektronernas effektiva ledningsförmåga.
Porositeten och volymfraktionen av kollimfasen är motsägelsefulla, och den stora porositeten leder oundvikligen till volymfraktionen av kollimfasen, därför är de effektiva ledningsegenskaperna för litiumjoner och elektroner också motstridiga, som visas i figur 2 När porositeten minskar, minskar litiumjonens effektiva konduktivitet medan den elektroneffektiva konduktiviteten ökar. Hur man balanserar de två är också avgörande i elektroddesignen.
Figur 2 Schematiskt diagram över porositet och litiumjon- och elektronledningsförmåga
2. Typ och upptäckt av poldefekter
För närvarande, i processen med att förbereda batteripolen, antas fler och fler onlinedetekteringstekniker för att effektivt identifiera tillverkningsfel hos produkter, eliminera defekta produkter och snabb återkoppling till produktionslinjen, automatiska eller manuella justeringar av produktionen process, för att minska antalet defekta.
De onlinedetekteringstekniker som vanligtvis används vid tillverkning av polplåt inkluderar uppslamningsegenskaper, detektering av polplåtkvalitet, dimensionsdetektering och så vidare, till exempel: (1) onlineviskositetsmätaren är direkt installerad i beläggningslagringstanken för att upptäcka det reologiska egenskaper hos slurryn i realtid, Testa slurryns stabilitet; (2) Användning av röntgen eller β-strålning i beläggningsprocessen, dess höga mätnoggrannhet, men stor strålning, högt pris på utrustning och underhållsproblem; (3) Laser online tjockleksmätningsteknik används för att mäta tjockleken på polskivan, mätnoggrannheten kan nå ± 1 μm, den kan också visa förändringstrenden för uppmätt tjocklek och tjocklek i realtid, underlätta spårbarhet av data och analys; (0) CCD vision-teknik, det vill säga line array CCD används för att skanna det uppmätta objektet, realtidsbildbehandling och analys av defektkategorier, realisera den oförstörande onlinedetekteringen av polplåtens ytdefekter.
Som ett verktyg för kvalitetskontroll är onlinetestteknik också väsentlig för att förstå sambandet mellan defekter och batteriprestanda, för att fastställa de kvalificerade/okvalificerade kriterierna för halvfabrikat.
I den senare delen presenteras kortfattat den nya metoden för ytdefektdetektionsteknik av litiumjonbatteri, infraröd termisk avbildningsteknik och förhållandet mellan dessa olika defekter och elektrokemisk prestanda. konsultera D. Mohanty En grundlig studie av Mohanty et al.
(1) Vanliga defekter på polplåtens yta
Figur 3 visar de vanliga defekterna på ytan av litiumjonbatterielektroden, med den optiska bilden till vänster och bilden fångad av värmekameran till höger.
Figur 3 Vanliga defekter på stolpskivans yta: (a, b) bula kuvert/aggregat; (c, d) droppmaterial / nålhål; (e, f) främmande metallkropp; (g, h) ojämn beläggning
(A, b) förhöjd utbuktning/aggregat, sådana defekter kan uppstå om slammet omrörs jämnt eller om beläggningshastigheten är instabil. Samlingen av bindemedel och kimröksledande medel leder till låg halt av aktiva ingredienser och låg vikt hos polära tabletter.
(c, d) droppe / nålhål, dessa defekta områden är inte belagda och produceras vanligtvis av bubblor i slammet. De minskar mängden aktivt material och exponerar kollektorn för elektrolyten, vilket minskar den elektrokemiska kapaciteten.
(E, f) främmande kroppar av metall, slam eller främmande kroppar av metall som införts i utrustningen och miljön, och främmande metallkroppar kan orsaka stor skada på litiumbatterier. Stora metallpartiklar skadar membranet direkt, vilket resulterar i en kortslutning mellan de positiva och negativa elektroderna, vilket är en fysisk kortslutning. Dessutom, när den främmande metallen blandas in i den positiva elektroden, ökar den positiva potentialen efter laddning, metallen löser sig, sprider sig genom elektrolyten och faller sedan ut på den negativa ytan och slutligen punkterar membranet och bildar en kortslutning, vilket är en kemisk upplösningskortslutning. De vanligaste främmande metallkropparna på batterifabriken är Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS, etc.
(g, h) ojämn beläggning, såsom slurryblandningen är inte tillräcklig, partikelfinheten är lätt att se ränder när partikeln är stor, vilket resulterar i ojämn beläggning, vilket kommer att påverka konsistensen av batterikapaciteten, och till och med visas helt ingen beläggningsremsa, har inverkan på kapacitet och säkerhet.
(2) Teknik för detektering av polchips ytdefekt Infraröd (IR) termisk avbildningsteknik används för att upptäcka mindre defekter på torra elektroder som kan skada prestanda hos litiumjonbatterier. Under onlinedetekteringen, om elektroddefekten eller föroreningen upptäcks, markera den på polarket, eliminera den i den efterföljande processen och återkoppla den till produktionslinjen och justera processen i tid för att eliminera defekterna. Infraröd stråle är en sorts elektromagnetisk våg som har samma natur som radiovågor och synligt ljus. En speciell elektronisk anordning används för att omvandla temperaturfördelningen på ytan på ett föremål till en synlig bild av det mänskliga ögat, och för att visa temperaturfördelningen på ytan på ett föremål i olika färger kallas infraröd termisk avbildningsteknik. Denna elektroniska enhet kallas infraröd värmekamera. Alla objekt över absolut noll (-273 ℃) avger infraröd strålning.
Som visas i figur 4 använder den infraröda termiska approximatorn (IR-kameran) den infraröda detektorn och det optiska bildobjektivet för att acceptera det uppmätta målobjektets fördelningsmönster för infraröd strålningsenergi och reflektera det på det fotokänsliga elementet i den infraröda detektorn för att erhålla infraröd termisk bild, vilket motsvarar det termiska distributionsfältet på objektets yta. När det finns en defekt på ytan av ett föremål skiftar temperaturen i området. Därför kan denna teknik också användas för att detektera defekterna på objektets yta, speciellt lämplig för vissa defekter som inte kan särskiljas med optiska detekteringsorgan. När torkelektroden för litiumjonbatteri detekteras online, bestrålas elektrodelektroden först av blixten, yttemperaturen ändras och sedan detekteras yttemperaturen med en värmekamera. Värmefördelningsbilden visualiseras, och bilden bearbetas och analyseras i realtid för att upptäcka ytdefekterna och markera dem i tid.D. Mohanty Studien installerade en värmekamera vid utloppet av bestrykningstorkugnen för att detektera temperaturfördelningsbilden på elektrodskivans yta.
Figur 5 (a) är en temperaturfördelningskarta över beläggningsytan på NMC-positiva polarket detekterad av värmekameran, som innehåller en mycket liten defekt som inte kan urskiljas med blotta ögat. Temperaturfördelningskurvan som motsvarar ruttsegmentet visas i den interna infällningen, med en temperaturspets vid defektpunkten. I figur 5 (b) ökar temperaturen lokalt i motsvarande låda, motsvarande defekten på polplåtens yta. FIKON. 6 är ett yttemperaturfördelningsdiagram av det negativa elektrodskiktet som visar förekomsten av defekter, där toppen av temperaturökningar motsvarar bubblan eller aggregatet, och arean av temperaturminskningar motsvarar nålhålet eller droppen.
Figur 5 Temperaturfördelning av den positiva elektrodskivans yta
Figur 6 Temperaturfördelning av negativ elektrodyta
Det kan ses att värmeavbildningsdetektering av temperaturfördelning är ett bra sätt att detektera polplåtsytdefekter, som kan användas för kvalitetskontroll av polplåtstillverkning.3. Effekt av ytdefekter på polskivan på batteriets prestanda
(1) Inverkan på batterimultiplikatorkapaciteten och Coulomb-effektiviteten
Figur 7 visar påverkanskurvan för aggregatet och nålhålet på batterimultiplikatorkapaciteten och coulens effektivitet. Aggregatet kan faktiskt förbättra batterikapaciteten, men minska coulens effektivitet. Nålhålet minskar batterikapaciteten och Kulun-effektiviteten, och Kulun-effektiviteten minskar kraftigt i hög takt.
Figur 7 katodaggregat och pinhole effekt på batterikapaciteten och effektiviteten i figur 8 är ojämn beläggning, och metall främmande kropp Co och Al på batterikapaciteten och effekten av effektivitetskurvan, ojämn beläggning minskar batterienhetens masskapacitet 10% - 20%, men hela batterikapaciteten minskade med 60%, detta visar att den levande massan i polarbiten minskade avsevärt. Metal Co främmande kropp minskad kapacitet och Coulomb effektivitet, även i 2C och 5C hög förstoring, ingen kapacitet alls, vilket kan bero på bildandet av metall Co i den elektrokemiska reaktionen av litium och litium inbäddat, eller så kan det vara metallpartiklarna blockerade membranporen orsakade mikrokortslutning.
Figur 8 Effekter av ojämn beläggning av positiv elektrod och främmande metallkroppar Co och Al på batterimultiplikatorkapacitet och coulens effektivitet
Sammanfattning av katodplåtsdefekter: Ateserna i katodplåtsbeläggningen minskar batteriets Coulomb-effektivitet. Nålhålet i den positiva beläggningen minskar Coulomb-effektiviteten, vilket resulterar i dålig multiplikatorprestanda, speciellt vid hög strömtäthet. Den heterogena beläggningen visade dålig förstoringsprestanda. Metallpartikelföroreningar kan orsaka mikrokortslutningar och kan därför kraftigt minska batterikapaciteten.
Figur 9 visar effekten av den negativa läckagefolieremsan på batteriets multiplikatorkapacitet och Kulun-effektivitet. När läckaget inträffar vid den negativa elektroden reduceras batteriets kapacitet avsevärt, men gramkapaciteten är inte uppenbar, och påverkan på Kuluns effektivitet är inte signifikant.
Figur 9 Inverkan av negativ elektrodläckagefolieremsa på batterimultiplikatorkapacitet och Kulun-effektivitet (2) Inverkan på batterimultiplikatorcykelprestanda Figur 10 är resultatet av inverkan av elektrodytdefekten på batterimultiplikatorcykeln. Påverkansresultaten sammanfattas enligt följande:
Egregering: vid 2C är kapacitetsunderhållsgraden för 200 cykler 70 % och det defekta batteriet 12 %, medan i 5C-cykeln är kapacitetsunderhållsgraden för 200 cykler 50 % och det defekta batteriet 14 %.
Nålhål: kapacitetsdämpningen är uppenbar, men ingen total defektdämpning är snabb, och kapacitetsunderhållsgraden för 200 cykler 2C och 5C är 47% respektive 40%.
Metall främmande kropp: kapaciteten för metall Co främmande kropp är nästan 0 efter flera cykler, och 5C cykel kapaciteten av metall främmande kropp Al-folie minskar avsevärt.
Läckremsa: För samma läckageområde minskar batterikapaciteten för flera mindre ränder snabbare än en större remsa (47 % för 200 cykler i 5C) (7 % för 200 cykler i 5C). Detta indikerar att ju fler ränder, desto större påverkan på battericykeln.
Figur 10 Effekt av ytdefekter i elektrodskivan på cellhastighetscykeln
Ref.: [1] Icke-förstörande utvärdering av slitsformsbelagda sekundära litiumbatterielektroder med in-line laserok och IR-termografimetoder [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Effekt av elektrodtillverkningsdefekter på elektrokemisk prestanda hos litiumjonbatterier: Kunskap om batterifelkällorna[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.
