By hoppt
Fil-batteriji tal-jone tal-litju (LIBs), ħafna elettrodi bbażati fuq ossidu tal-metall ta 'transizzjoni juru kapaċità ta' ħażna għolja mhux tas-soltu lil hinn mill-valur teoretiku tagħhom. Għalkemm dan il-fenomenu ġie rrappurtat b'mod wiesa ', il-mekkaniżmi fiżikokimiċi sottostanti f'dawn il-materjali jibqgħu elużivi u jibqgħu kwistjoni ta' dibattitu.
Riċentement, il-Professur Miao Guoxing mill-Università ta’ Waterloo, il-Kanada, il-Professur Yu Guihua mill-Università ta’ Texas f’Austin, u Li Hongsen u Li Qiang mill-Università ta’ Qingdao ppubblikaw b’mod konġunt dokument ta’ riċerka dwar Materjali tan-Natura taħt it-titlu ta’ “Kapaċità ta’ ħażna żejda f’ batteriji tal-jone tal-litju tal-ossidu tal-metall tat-tranżizzjoni żvelati b'manjetometrija in situ". F'dan ix-xogħol, l-awturi użaw monitoraġġ manjetiku in situ biex juru l-preżenza ta 'kapaċità qawwija tal-wiċċ fuq nanopartiċelli tal-metall u li numru kbir ta' elettroni polarizzati spin jistgħu jinħażnu f'nanopartiċelli tal-metall diġà mnaqqsa, li hija konsistenti mal-mekkaniżmu ta 'ċarġ spazjali. Barra minn hekk, il-mekkaniżmu ta 'ċarġ spazjali żvelat jista' jiġi estiż għal komposti oħra tal-metall ta 'tranżizzjoni, li jipprovdi gwida ewlenija għall-istabbiliment ta' sistemi avvanzati ta 'ħażna tal-enerġija.
(1) Fe tipiku ġie studjat bl-użu tat-teknika ta 'monitoraġġ manjetiku in-situ3O4/ Evoluzzjoni tal-istruttura elettronika ġewwa l-batterija Li;
(2) jiżvela li s-sistema Fe3O4In / Li, il-kapaċità ta 'ċarġ tal-wiċċ hija s-sors ewlieni tal-kapaċità żejda;
(3) Il-mekkaniżmu tal-kapaċità tal-wiċċ tan-nanopartiċelli tal-metall jista 'jiġi estiż għal firxa wiesgħa ta' komposti ta 'metall ta' transizzjoni.
Fe vojta minn ġewwa Monodisperse ġie sintetizzat b'metodi idrotermali konvenzjonali 3O4Nanospheres, u mbagħad imwettaq f'100 mAg-1Charge u skarigu f'densità tal-kurrent (Figura 1a), l-ewwel kapaċità ta 'skarika hija 1718 mAh g-1, 1370 mAhg fit-tieni u t-tielet darba, rispettivament 1U 1,364 mAhg-1, Ferm aktar minn 926 mAhg-1It-teorija tal-aspettattivi. Immaġini BF-STEM tal-prodott kompletament skarikat (Figura 1b-c) jindikaw li wara t-tnaqqis tal-litju, in-nanosferi Fe3O4The ġew ikkonvertiti f'nanopartiċelli Fe iżgħar li jkejlu madwar 1 - 3 nm, imxerrda fiċ-ċentru Li2O.
Biex turi l-bidla fil-manjetiżmu matul iċ-ċiklu elettrokimiku, inkisbet kurva ta 'manjetizzazzjoni wara skarigu sħiħ għal 0.01 V (Figura 1d), li turi l-imġieba superparamanjetika minħabba l-formazzjoni ta' nanopartiċelli.
Figura 1 (a) f'100 mAg-1Fe taċ-ċikliżmu fid-densità tal-kurrent 3O4 / Kurva ta 'ċarġ u skariku tal-kurrent kostanti tal-batterija Li; (b) litju kompletament Fe3O4L-immaġni BF-STEM tal-elettrodu; (c) il-preżenza ta' Li fl-aggregate2Immaġini BF-STEM b'riżoluzzjoni għolja kemm ta' O kif ukoll ta' Fe; (d) Fe3O4Il-kurvi tal-isteresi tal-elettrodu qabel (iswed) u wara (blu), u l-kurva mwaħħla Langevin ta 'dan tal-aħħar (vjola).
Sabiex tgħaqqad l-elettrokimika ma 'Fe3O4Of bidliet strutturali u manjetiċi marbuta mal-Fe3O4The Elettrodi kienu soġġetti għal diffrazzjoni tar-raġġi X in situ (XRD) u monitoraġġ manjetiku in situ. Fe f'serje ta 'mudelli ta' diffrazzjoni XRD matul il-ħruġ inizjali mill-vultaġġ ta 'ċirkwit miftuħ (OCV) għal 1.2V3O4Il-qċaċet tad-diffrazzjoni ma nbidlux b'mod sinifikanti la fl-intensità jew fil-pożizzjoni (Figura 2a), li jindika li l-Fe3O4Only esperjenza l-proċess ta' interkalazzjoni Li. Meta tiġi ċċarġjata mat-3V, l-istruttura kontra l-ispinel Fe3O4The tibqa 'intatta, li tissuġġerixxi li l-proċess f'din it-tieqa tal-vultaġġ huwa riversibbli ħafna. Twettaq aktar monitoraġġ manjetiku fil-post flimkien ma 'testijiet ta' ċarġ ta 'ċarġ ta' kurrent kostanti biex jiġi investigat kif il-manjetizzazzjoni tevolvi f'ħin reali (Figura 2b).
Figura 2 Karatterizzazzjoni ta 'XRD in-situ u monitoraġġ manjetiku.(A) XRD in situ; (b) Fe3O4Kurva ta' ċarġ-skarigu elettrokimiku taħt kamp manjetiku applikat ta' 3 T u rispons manjetiku in situ riversibbli korrispondenti.
Biex tikseb fehim aktar bażiku ta 'dan il-proċess ta' konverżjoni f'termini ta 'bidliet ta' manjetizzazzjoni, ir-rispons manjetiku jinġabar f'ħin reali u t-tranżizzjoni tal-fażi korrispondenti takkumpanja r-reazzjonijiet immexxija b'mod elettrokimiku (Figura 3). Huwa pjuttost ċar li matul l-ewwel kwittanza, ir-rispons tal-manjetizzazzjoni Fe3O4The tal-elettrodi huwa differenti miċ-ċikli l-oħra minħabba l-Fe matul l-ewwel lithalization3O4Due li sseħħ it-tranżizzjoni tal-fażi irriversibbli. Meta l-potenzjal niżel għal 0.78V, il-fażi antispinel Fe3O4The ġiet konvertita biex ikun fiha l-istruttura tal-halite tal-klassi FeO Li2The ta 'O, il-fażi Fe3O4The ma tistax tiġi rrestawrata wara l-iċċarġjar. B'mod korrispondenti, il-manjetizzazzjoni tinżel malajr għal 0.482 μ b Fe−1. Hekk kif il-litializzazzjoni tipproċedi, ma ġiet iffurmata l-ebda fażi ġdida, u l-intensità tal-qċaċet tad-diffrazzjoni tal-klassi FeO (200) u (220) bdiet tiddgħajjef. ugwali Fe3O4M'hemm l-ebda quċċata XRD sinifikanti miżmuma meta l-elettrodu jkun kompletament liialized (Figura 3a). Innota li meta l-elettrodu Fe3O4 jarmi minn 0.78V għal 0.45V, il-manjetizzazzjoni (minn 0.482 μ b Fe−1 Żieda għal 1.266 μ bFe−1), Dan kien attribwit għar-reazzjoni ta 'konverżjoni minn FeO għal Fe. Imbagħad, fl-aħħar tal-iskarigu, il-manjetizzazzjoni naqset bil-mod għal 1.132 μ B Fe−1. Din is-sejba tissuġġerixxi li l-Fe0Nanoparticles tal-metall imnaqqsa għal kollox jistgħu xorta jipparteċipaw fir-reazzjoni tal-ħażna tal-litju, u b'hekk inaqqsu l-manjetizzazzjoni tal-elettrodi.
Figura 3 Osservazzjonijiet in situ tat-tranżizzjoni tal-fażi u r-rispons manjetiku.（a）Mappa XRD Fe3O4In situ miġbura matul l-ewwel ħruġ tal-elettrodu; (b) Fe3O4 Kejl tal-forza manjetika in situ ta' ċikli elettrokimiċi ta' / ċelluli Li f'kamp manjetiku applikat ta' 3 T.
Fe3O4Il-bidliet manjetiċi tal-elettrodi jseħħu f'vultaġġi baxxi, li fihom x'aktarx tiġi ġġenerata kapaċità elettrokimika addizzjonali, li tissuġġerixxi l-preżenza ta 'trasportaturi ta' ċarġ mhux skoperti fiċ-ċellula. Biex tesplora l-mekkaniżmu potenzjali tal-ħażna tal-litju, Fe ġie studjat permezz ta 'XPS, STEM u spettru tal-prestazzjoni manjetika3O4Electrodes tal-qċaċet tal-manjetizzazzjoni f'0.01V, 0.45V u 1.4V biex jiddetermina s-sors tal-bidla manjetika. Ir-riżultati juru li l-mument manjetiku huwa fattur ewlieni li jaffettwa l-bidla manjetika, minħabba li l-Fe0/Li2The Ms imkejla tas-sistema O mhumiex affettwati mill-anisotropija manjetika u l-akkoppjar bejn il-partiċelli.
Biex tifhem aktar il-proprjetajiet kinetiċi Fe3O4The tal-elettrodi f'vultaġġ baxx, voltametrija ċiklika b'rati ta 'skan differenti. Kif muri fil-Figura 4a, il-kurva rettangolari tal-voltammogram ċikliku tidher fil-medda tal-vultaġġ bejn 0.01V u 1V (Figura 4a). Figura 4b turi li r-rispons abilità Fe3O4A seħħ fuq l-elettrodu. Bir-rispons manjetiku riversibbli ħafna tal-proċess tal-iċċarġjar u l-iskarigu tal-kurrent kostanti (Figura 4c), il-manjetizzazzjoni tal-elettrodu naqset minn 1V għal 0.01V matul il-proċess tal-iskarigu, u reġgħet żdiedet matul il-proċess tal-iċċarġjar, li jindika li Fe0Of tal-kapaċitatur simili ir-reazzjoni tal-wiċċ hija riversibbli ħafna.
Figura 4 proprjetajiet elettrokimiċi u karatterizzazzjoni manjetika in situ f'0.011 V.(A) Il-kurva voltametrika ċiklika.(B) il-valur b huwa determinat bl-użu tal-korrelazzjoni bejn il-kurrent massimu u r-rata tal-iskannjar; (c) il-bidla riversibbli tal-manjetizzazzjoni relattiva għall-kurva ta 'ċarġ-discharge taħt kamp manjetiku applikat ta' 5 T.
Fe3O4Il-karatteristiċi elettrokimiċi, strutturali u manjetiċi msemmija hawn fuq tal-elettrodi jindikaw li l-kapaċità addizzjonali tal-batterija hija determinata minn Fe0Il-kapaċità tal-wiċċ polarizzata spin tan-nanopartiċelli hija kkawżata mill-bidliet manjetiċi li jakkumpanjawhom. Il-kapaċità spin-polarizzata hija r-riżultat ta 'akkumulazzjoni ta' ħlas spin-polarizzat fl-interface u tista 'turi rispons manjetiku waqt iċ-ċarġ u l-iskariku.to Fe3O4The elettrodu bażi, matul l-ewwel proċess ta' skarigu, kien imxerred f'nanopartiċelli Li2Fine Fe fis-sottostrat O għandhom proporzjonijiet kbar tal-wiċċ għall-volum u jirrealizzaw densità għolja ta 'stati fil-livell Fermi minħabba l-orbitali d lokalizzati ħafna. Skond il-mudell teoretiku ta 'Maier tal-ħażna ta' ċarġ spazjali, l-awturi jipproponu li ammonti kbar ta 'elettroni jistgħu jinħażnu fil-meded ta' qsim ta 'spin ta' nanopartiċelli Fe metalliċi, li jistgħu jinstabu f'Fe / Li2Creating capacitors tal-wiċċ polarizzati spin fin-nanokomposti O ( Figura 5).
graff 5Fe/Li2A Rappreżentazzjoni skematika tal-kapaċità tal-wiċċ tal-elettroni spin-polarizzati fl-O-interface.(A) id-dijagramma skematika tad-densità tal-istat tal-polarizzazzjoni tal-ispin tal-wiċċ tal-partiċelli tal-metall ferromanjetiku (qabel u wara l-iskarigu), kuntrarjament għal il-polarizzazzjoni spin bl-ingrossa tal-ħadid; (b) il-formazzjoni tar-reġjun ta 'ċarġ ta' l-ispazju fil-mudell tal-kapaċitatur tal-wiċċ ta 'litju maħżun iżżejjed.
TM / Li ġie investigat minn monitoraġġ manjetiku in-situ avvanzat. Ir-riżultati juru li, kemm fis-sistema taċ-ċelluli tal-mudell Fe2O3 / Li, nanopartiċelli Fe mnaqqsa b'mod elettrokimiku jistgħu jaħżnu ammonti kbar ta 'elettroni spin-polarizzati, li jirriżultaw minħabba kapaċità eċċessiva taċ-ċelluli u manjetiżmu interfacial mibdul b'mod sinifikanti. Esperimenti vvalidati aktar CoO, NiO, u FeF4And Fe2The preżenza ta 'tali capacitance f'materjal ta' elettrodu N tindika l-eżistenza ta 'kapaċità tal-wiċċ spin-polarizzata ta' nanopartiċelli tal-metall f'batteriji tal-jone tal-litju u tistabbilixxi l-pedament għall-applikazzjoni ta 'dan il-mekkaniżmu ta' ħażna ta 'ċarġ spazjali fi tranżizzjoni oħra. materjali tal-elettrodi bbażati fuq komposti tal-metall.
Kapaċità ta' ħażna żejda f'batteriji tal-jone tal-litju tal-ossidu tal-metall ta' transizzjoni żvelati b'manjetometrija in situ (Nature Materials , 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)
L-influwenza tal-formula tad-disinn tal-wejfer tal-elettrodu tal-litju u difetti tal-wejfer tal-elettrodu fuq il-prestazzjoni
L-elettrodu tal-batterija tal-litju huwa kisi magħmul minn partiċelli, applikati b'mod uniformi mal-fluwidu tal-metall. Il-kisi tal-elettrodu tal-batterija tal-jone tal-litju jista 'jitqies bħala materjal kompost, magħmul prinċipalment minn tliet partijiet:
(1) Partiċelli tas-sustanza attiva;
(2) il-fażi kostitwenti tal-aġent konduttiv u l-aġent (fażi adeżiva tal-karbonju);
(3) Pori, imla bl-elettrolit.
Ir-relazzjoni tal-volum ta' kull fażi hija espressa bħala:
Porożità + frazzjoni tal-volum tal-materja ħajja + frazzjoni tal-volum tal-fażi adeżiva tal-karbonju =1
Id-disinn tad-disinn tal-elettrodu tal-batterija tal-litju huwa importanti ħafna, u issa l-għarfien bażiku tad-disinn tal-elettrodu tal-batterija tal-litju huwa introdott fil-qosor.
(1) Kapaċità teoretika tal-materjal tal-elettrodu Il-kapaċità teoretika tal-materjal tal-elettrodu, jiġifieri, il-kapaċità pprovduta mill-joni tal-litju kollha fil-materjal involut fir-reazzjoni elettrokimika, il-valur tagħha huwa kkalkulat mill-ekwazzjoni li ġejja:
Pereżempju, il-LiFePO4Il-massa molari hija 157.756 g/mol, u l-kapaċità teoretika tagħha hija:
Dan il-valur ikkalkulat huwa biss il-kapaċità teoretika tal-gramma. Sabiex tiġi żgurata l-istruttura riversibbli tal-materjal, il-koeffiċjent attwali tat-tneħħija tal-jone tal-litju huwa inqas minn 1, u l-kapaċità attwali tal-gramma tal-materjal hija:
Kapaċità tal-gramma attwali tal-materjal = kapaċità teoretika tal-koeffiċjent tal-unplugging tal-jone tal-litju
(2) Kapaċità tad-disinn tal-batterija u densità estremament fuq naħa waħda Il-kapaċità tad-disinn tal-batterija tista 'tiġi kkalkulata bil-formula li ġejja: kapaċità tad-disinn tal-batterija = densità tal-wiċċ tal-kisi proporzjon tal-materjal attiv materjal attiv gramma kapaċità arblu żona tal-kisi tal-folja
Fost dawn, id-densità tal-wiċċ tal-kisi hija parametru ewlieni tad-disinn. Meta d-densità tal-kompattazzjoni ma tinbidelx, iż-żieda tad-densità tal-wiċċ tal-kisi tfisser li l-ħxuna tal-folja tal-arblu tiżdied, id-distanza tat-trażmissjoni tal-elettroni tiżdied, u r-reżistenza tal-elettroni tiżdied, iżda l-grad ta 'żieda huwa limitat. Fil-folja tal-elettrodu ħoxna, iż-żieda tal-impedenza tal-migrazzjoni tal-jonji tal-litju fl-elettrolit hija r-raġuni ewlenija li taffettwa l-karatteristiċi tal-proporzjon. Meta wieħed iqis il-porożità u t-twists tal-pori, id-distanza tal-migrazzjoni tal-joni fil-pori hija ħafna drabi aktar mill-ħxuna tal-folja tal-arblu.
(3) Il-proporzjon tal-proporzjon tal-kapaċità negattiva-pożittiva N / P kapaċità negattiva għal kapaċità pożittiva huwa definit bħala:
N / P għandu jkun akbar minn 1.0, ġeneralment 1.04 ~ 1.20, li huwa prinċipalment fid-disinn tas-sigurtà, biex jipprevjeni n-naħa negattiva tal-jone tal-litju minn preċipitazzjoni mingħajr sors ta 'aċċettazzjoni, disinn biex tikkunsidra l-kapaċità tal-proċess, bħal devjazzjoni tal-kisi. Madankollu, meta N / P ikun kbir wisq, il-batterija titlef il-kapaċità irriversibbli, li tirriżulta f'kapaċità baxxa ta 'batterija u densità ta' enerġija tal-batterija aktar baxxa.
Għall-anodu tat-titanat tal-litju, id-disinn tal-eċċess tal-elettrodu pożittiv huwa adottat, u l-kapaċità tal-batterija hija determinata mill-kapaċità tal-anodu tat-titanat tal-litju. Id-disinn żejjed pożittiv iwassal għat-titjib tal-prestazzjoni tat-temperatura għolja tal-batterija: il-gass b'temperatura għolja prinċipalment ġej mill-elettrodu negattiv. Fid-disinn żejjed pożittiv, il-potenzjal negattiv huwa baxx, u huwa aktar faċli li tifforma film SEI fuq il-wiċċ tat-titanat tal-litju.
(4) Id-densità tal-kompattazzjoni u l-porożità tal-kisi Fil-proċess tal-produzzjoni, id-densità tal-kompattazzjoni tal-kisi tal-elettrodu tal-batterija hija kkalkulata bil-formula li ġejja. Meta wieħed iqis li meta l-folja tal-arblu tiġi rrumblata, il-fojl tal-metall jiġi estiż, id-densità tal-wiċċ tal-kisi wara r-romblu tiġi kkalkulata bil-formula li ġejja.
Kif issemma qabel, il-kisi jikkonsisti f'fażi ta 'materjal ħaj, fażi adeżiva tal-karbonju u pori, u l-porożità tista' tiġi kkalkulata bl-ekwazzjoni li ġejja.
Fost dawn, id-densità medja tal-kisi hija: elettrodu tal-batterija tal-litju huwa tip ta 'partiċelli ta' trab tal-kisi, minħabba li l-wiċċ tal-partiċelli tat-trab mhux maħdum, forma irregolari, meta akkumulazzjoni, partiċelli bejn partiċelli u partiċelli, u xi partiċelli nfisha għandhom xquq u pori, hekk volum tat-trab inkluż il-volum tat-trab, il-pori bejn il-partiċelli tat-trab u l-partiċelli, għalhekk, il-varjetà korrispondenti tad-densità tal-kisi tal-elettrodu u r-rappreżentazzjoni tal-porożità. Id-densità tal-partiċelli tat-trab tirreferi għall-massa tat-trab għal kull unità ta 'volum. Skont il-volum tat-trab, huwa maqsum fi tliet tipi: densità vera, densità ta 'partiċelli u densità ta' akkumulazzjoni. Id-densitajiet varji huma definiti kif ġej:
Għall-istess trab, densità vera> densità tal-partiċelli> densità tal-ippakkjar. Il-porożità tat-trab hija l-proporzjon tal-pori fil-kisi tal-partiċelli tat-trab, jiġifieri, il-proporzjon tal-volum tal-vojt bejn il-partiċelli tat-trab u l-pori tal-partiċelli għall-volum totali tal-kisi, li huwa komunement espress bħala persentaġġ. Il-porożità tat-trab hija proprjetà komprensiva relatata mal-morfoloġija tal-partiċelli, l-istat tal-wiċċ, id-daqs tal-partiċelli u d-distribuzzjoni tad-daqs tal-partiċelli. Il-porożità tagħha taffettwa direttament l-infiltrazzjoni tat-trażmissjoni tal-elettroliti u tal-jone tal-litju. B'mod ġenerali, iktar ma tkun kbira l-porożità, iktar ikun faċli l-infiltrazzjoni tal-elettroliti, u aktar mgħaġġla tkun it-trażmissjoni tal-jone tal-litju. Għalhekk, fid-disinn tal-batterija tal-litju, xi kultant biex tiddetermina l-porożità, metodu ta 'pressjoni tal-merkurju użat komunement, metodu ta' adsorbiment tal-gass, eċċ Jista 'jinkiseb ukoll bl-użu tal-kalkolu tad-densità. Il-porożità jista' jkollha wkoll implikazzjonijiet differenti meta tuża densitajiet differenti għall-kalkoli. Meta d-densità tal-porożità tas-sustanza ħajja, l-aġent konduttiv u l-binder hija kkalkulata mid-densità vera, il-porożità kkalkulata tinkludi d-distakk bejn il-partiċelli u d-distakk ġewwa l-partiċelli. Meta l-porożità tas-sustanza ħajja, l-aġent konduttiv u l-legatur tiġi kkalkulata mid-densità tal-partiċelli, il-porożità kkalkulata tinkludi d-distakk bejn il-partiċelli, iżda mhux id-distakk ġewwa l-partiċelli. Għalhekk, id-daqs tal-pori tal-folja tal-elettrodu tal-batterija tal-litju huwa wkoll multi-skala, ġeneralment id-distakk bejn il-partiċelli huwa fid-daqs tal-iskala tal-mikron, filwaqt li d-distakk ġewwa l-partiċelli huwa fin-nanometru għal skala sub-submicron. F'elettrodi porużi, ir-relazzjoni tal-proprjetajiet tat-trasport bħad-diffusività effettiva u l-konduttività tista 'tiġi espressa bl-ekwazzjoni li ġejja:
Fejn D0 tirrappreżenta r-rata intrinsika tad-diffużjoni (konduzzjoni) tal-materjal innifsu, ε hija l-frazzjoni tal-volum tal-fażi korrispondenti, u τ hija l-kurvatura dawra tal-fażi korrispondenti. Fil-mudell omoġenju makroskopiku, ir-relazzjoni Bruggeman ġeneralment tintuża, filwaqt li jittieħed il-koeffiċjent ɑ = 1.5 biex tiġi stmata l-pożittività effettiva tal-elettrodi porużi.
L-elettrolit jimtela fil-pori tal-elettrodi porużi, li fihom il-jonji tal-litju jitmexxew permezz tal-elettrolit, u l-karatteristiċi tal-konduzzjoni tal-joni tal-litju huma relatati mill-qrib mal-porożità. Iktar ma tkun kbira l-porożità, iktar tkun għolja l-frazzjoni tal-volum tal-fażi tal-elettroliti, u akbar tkun il-konduttività effettiva tal-jonji tal-litju. Fil-folja tal-elettrodu pożittiv, l-elettroni huma trażmessi permezz tal-fażi tal-adeżiv tal-karbonju, il-frazzjoni tal-volum tal-fażi tal-adeżiv tal-karbonju u d-dawra tal-fażi tal-adeżiv tal-karbonju jiddeterminaw direttament il-konduttività effettiva tal-elettroni.
Il-porożità u l-frazzjoni tal-volum tal-fażi adeżiva tal-karbonju huma kontradittorji, u l-porożità kbira inevitabbilment twassal għall-frazzjoni tal-volum tal-fażi adeżiva tal-karbonju, għalhekk, il-proprjetajiet effettivi tal-konduzzjoni tal-jonji tal-litju u l-elettroni huma wkoll kontradittorji, kif muri fil-Figura 2 Hekk kif il-porożità tonqos, il-konduttività effettiva tal-jone tal-litju tonqos filwaqt li l-konduttività effettiva tal-elettroni tiżdied. Kif tibbilanċja t-tnejn hija wkoll kritika fid-disinn tal-elettrodu.
Figura 2 Dijagramma skematika tal-porożità u l-jone tal-litju u l-konduttività tal-elettroni
2. Tip u skoperta ta 'difetti tal-arbli
Fil-preżent, fil-proċess ta 'preparazzjoni tal-arblu tal-batterija, aktar u aktar teknoloġiji ta' sejbien onlajn huma adottati, sabiex jidentifikaw b'mod effettiv id-difetti tal-manifattura tal-prodotti, jeliminaw prodotti difettużi, u feedback f'waqtu għal-linja ta 'produzzjoni, aġġustamenti awtomatiċi jew manwali għall-produzzjoni proċess, biex titnaqqas ir-rata difettuża.
It-teknoloġiji ta' skoperta onlajn użati komunement fil-manifattura tal-folji tal-arblu jinkludu skoperta karatteristika tad-demel likwidu, skoperta tal-kwalità tal-folja tal-arbli, skoperta tad-dimensjoni u l-bqija, Per eżempju: (1) il-miter tal-viskożità onlajn huwa installat direttament fit-tank tal-ħażna tal-kisi biex jiskopri l-reoloġiku karatteristiċi tad-demel likwidu f'ħin reali, Ittestja l-istabbiltà tad-demel likwidu; (2) L-użu tar-raġġi X jew β-ray fil-proċess tal-kisi, Il-preċiżjoni għolja tal-kejl tiegħu, Iżda radjazzjoni kbira, prezz għoli ta 'tagħmir u problemi ta' manutenzjoni; (3) It-teknoloġija tal-kejl tal-ħxuna online bil-lejżer hija applikata biex titkejjel il-ħxuna tal-folja tal-arblu, L-eżattezza tal-kejl tista 'tilħaq ± 1. 0 μ m, Tista' wkoll turi t-tendenza tal-bidla tal-ħxuna u l-ħxuna mkejla f'ħin reali, Tiffaċilita t-traċċabilità tad-dejta u analiżi; (4) Teknoloġija tal-viżjoni CCD, Jiġifieri, il-line array CCD tintuża biex tiskennja l-oġġett imkejjel, Ipproċessar ta 'immaġni f'ħin reali u analiżi ta' kategoriji ta 'difetti, Irrealizza l-iskoperta onlajn mhux distruttiva tad-difetti tal-wiċċ tal-folja tal-arblu.
Bħala għodda għall-kontroll tal-kwalità, it-teknoloġija tal-ittestjar onlajn hija wkoll essenzjali biex tifhem il-korrelazzjoni bejn id-difetti u l-prestazzjoni tal-batterija, sabiex tiddetermina l-kriterji kwalifikati / mhux kwalifikati għal prodotti nofshom lesti.
Fl-aħħar parti, il-metodu ġdid ta 'teknoloġija ta' skoperta ta 'difetti fil-wiċċ tal-batterija tal-jone tal-litju, teknoloġija ta' immaġini termali infra-aħmar u r-relazzjoni bejn dawn id-difetti differenti u l-prestazzjoni elettrokimika huma introdotti fil-qosor.consult D. Mohanty Studju bir-reqqa minn Mohanty et al.
(1) Difetti komuni fuq il-wiċċ tal-folja tal-arblu
Il-Figura 3 turi d-difetti komuni fuq il-wiċċ tal-elettrodu tal-batterija tal-jone tal-litju, bl-immaġni ottika fuq ix-xellug u l-immaġni maqbuda mill-immaġni termali fuq il-lemin.
Figura 3 Difetti komuni fuq il-wiċċ tal-folja tal-arblu: (a, b) bulge envelope / aggregat; (c, d) qatra materjal / pinhole; (e, f) korp barrani tal-metall; (g, h) kisi irregolari
(A, b) nefħa mgħollija / aggregat, difetti bħal dawn jistgħu jseħħu jekk id-demel likwidu jitħawwad b'mod ugwali jew il-veloċità tal-kisi hija instabbli. Il-gregazzjoni ta 'aġenti konduttivi adeżivi u iswed tal-karbonju twassal għal kontenut baxx ta' ingredjenti attivi u piż ħafif ta 'pilloli polari.
(c, d) qatra / pinhole, dawn iż-żoni difettużi mhumiex miksija u ġeneralment huma prodotti minn bżieżaq fid-demel likwidu. Huma jnaqqsu l-ammont ta 'materjal attiv u jesponu l-kollettur għall-elettrolit, u b'hekk inaqqsu l-kapaċità elettrokimika.
(E, f) korpi barranin tal-metall, demel likwidu jew korpi barranin tal-metall introdotti fit-tagħmir u l-ambjent, u korpi barranin tal-metall jistgħu jikkawżaw ħsara kbira lill-batteriji tal-litju. Partiċelli kbar tal-metall direttament jagħtu d-dijaframma, li jirriżultaw f'ċirkwit qasir bejn l-elettrodi pożittivi u negattivi, li huwa short circuit fiżiku. Barra minn hekk, meta l-korp barrani tal-metall jitħallat fl-elettrodu pożittiv, il-potenzjal pożittiv jiżdied wara l-iċċarġjar, il-metall isolvi, jinfirex permezz tal-elettrolit, u mbagħad jippreċipita fuq il-wiċċ negattiv, u finalment ittaqqab id-dijaframma, u tifforma ċirkwit qasir, li huwa short circuit ta 'dissoluzzjoni kimika. L-aktar korpi barranin tal-metall komuni fis-sit tal-fabbrika tal-batterija huma Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS, eċċ.
(g, h) kisi irregolari, bħat-taħlit tad-demel likwidu mhuwiex biżżejjed, il-finezza tal-partiċelli hija faċli biex tidher strixxi meta l-partiċella tkun kbira, li tirriżulta f'kisja irregolari, li se taffettwa l-konsistenza tal-kapaċità tal-batterija, u saħansitra tidher kompletament l-ebda strixxa tal-kisi, għandha impatt fuq il-kapaċità u s-sigurtà.
(2) Teknoloġija ta 'skoperta ta' difetti fil-wiċċ taċ-ċippa tal-arblu It-teknoloġija tal-immaġini termali infrared (IR) tintuża biex tiskopri difetti minuri fuq elettrodi niexfa li jistgħu jagħmlu ħsara lill-prestazzjoni tal-batteriji tal-jone tal-litju. Matul is-sejbien onlajn, jekk jinstab id-difett tal-elettrodu jew is-sustanza li tniġġes, immarkah fuq il-folja tal-arblu, eliminah fil-proċess sussegwenti, u rreaġixxiha mal-linja tal-produzzjoni, u aġġusta l-proċess fil-ħin biex telimina d-difetti. Ir-raġġ infrared huwa tip ta 'mewġ elettromanjetiku li għandu l-istess natura bħall-mewġ tar-radju u dawl viżibbli. Apparat elettroniku speċjali jintuża biex jikkonverti d-distribuzzjoni tat-temperatura tal-wiċċ ta 'oġġett f'immaġni viżibbli tal-għajn tal-bniedem, u biex juri d-distribuzzjoni tat-temperatura tal-wiċċ ta' oġġett f'kuluri differenti tissejjaħ teknoloġija tal-immaġini termali infra-aħmar. Dan l-apparat elettroniku jissejjaħ infrared thermal imager. L-oġġetti kollha 'l fuq minn żero assolut (-273 ℃) jarmu radjazzjoni infra-aħmar.
Kif muri fil-Figura 4, l-approssimatur termali infra-aħmar (IR Camera) juża d-ditekter infra-aħmar u l-għan ta 'l-immaġini ottiċi biex jaċċetta l-mudell tad-distribuzzjoni ta' l-enerġija tar-radjazzjoni infra-aħmar ta 'l-oġġett fil-mira mkejjel u jirriflettih fuq l-element fotosensittiv tad-ditekter infra-aħmar biex jikseb il- immaġni termali infra-aħmar, li tikkorrispondi għall-qasam tad-distribuzzjoni termali fuq il-wiċċ tal-oġġett. Meta jkun hemm difett fuq il-wiċċ ta 'oġġett, it-temperatura tinbidel fiż-żona. Għalhekk, din it-teknoloġija tista 'tintuża wkoll biex tiskopri d-difetti fuq il-wiċċ tal-oġġett, speċjalment adattati għal xi difetti li ma jistgħux jiġu distinti b'mezzi ta' skoperta ottika. Meta l-elettrodu tat-tnixxif tal-batterija tal-jone tal-litju jiġi skopert onlajn, l-elettrodu tal-elettrodu jiġi l-ewwel irradjat bil-flash, it-temperatura tal-wiċċ tinbidel, u mbagħad it-temperatura tal-wiċċ tiġi skoperta b'imager termali. L-immaġni tad-distribuzzjoni tas-sħana hija viżwalizzata, u l-immaġni hija pproċessata u analizzata f'ħin reali biex tiskopri d-difetti tal-wiċċ u timmarkahom fil-ħin.D. Mohanty L-istudju installat termali imager fl-iżbokk tal-forn tat-tnixxif tal-coater biex jiskopri l-immaġni tad-distribuzzjoni tat-temperatura tal-wiċċ tal-folja tal-elettrodu.
Il-Figura 5 (a) hija mappa tad-distribuzzjoni tat-temperatura tal-wiċċ tal-kisi tal-folja tal-arblu pożittiv tal-NMC misjuba mill-imager termali, li fiha difett żgħir ħafna li ma jistax jiġi distint bl-għajn. Il-kurva tad-distribuzzjoni tat-temperatura li tikkorrispondi għas-segment tar-rotta hija murija fid-daħla interna, b'punt tat-temperatura fil-punt tad-difett. Fil-Figura 5 (b), it-temperatura tiżdied lokalment fil-kaxxa korrispondenti, li tikkorrispondi għad-difett tal-wiċċ tal-folja tal-arblu. FIG. 6 hija dijagramma tad-distribuzzjoni tat-temperatura tal-wiċċ tal-folja tal-elettrodu negattiv li turi l-eżistenza ta 'difetti, fejn il-quċċata taż-żidiet fit-temperatura tikkorrispondi għall-bużżieqa jew l-aggregat, u ż-żona tat-temperatura tonqos tikkorrispondi għall-pinhole jew qatra.
Figura 5 Distribuzzjoni tat-temperatura tal-wiċċ tal-folja tal-elettrodu pożittiv
Figura 6 Distribuzzjoni tat-temperatura tal-wiċċ tal-elettrodu negattiv
Jista 'jidher li l-iskoperta ta' l-immaġini termali tad-distribuzzjoni tat-temperatura hija mezz tajjeb ta 'skoperta ta' difetti fil-wiċċ tal-folja tal-arblu, li tista 'tintuża għall-kontroll tal-kwalità tal-manifattura tal-folja tal-arbli.3. Effett tad-difetti tal-wiċċ tal-folja tal-arblu fuq il-prestazzjoni tal-batterija
(1) Impatt fuq il-kapaċità tal-multiplikatur tal-batterija u l-effiċjenza Coulomb
Il-Figura 7 turi l-kurva tal-influwenza tal-aggregat u l-pinhole fuq il-kapaċità tal-multiplikatur tal-batterija u l-effiċjenza tal-coulen. L-aggregat jista 'attwalment itejjeb il-kapaċità tal-batterija, iżda jnaqqas l-effiċjenza tal-coulen. Il-pinhole inaqqas il-kapaċità tal-batterija u l-effiċjenza Kulun, u l-effiċjenza Kulun tonqos ħafna b'rata għolja.
Figura 7 aggregat tal-katodu u effett pinhole fuq il-kapaċità tal-batterija u l-effiċjenza tal-figura 8 hija kisi irregolari, u korp barrani tal-metall Co u Al fuq il-kapaċità tal-batterija u l-effett tal-kurva tal-effiċjenza, kisi irregolari tnaqqas il-kapaċità tal-massa tal-unità tal-batterija 10% - 20%, iżda l-kapaċità kollha tal-batterija naqset b'60%, dan juri li l-massa ħajja fil-biċċa polari naqset b'mod sinifikanti. Metal Co korp barrani kapaċità mnaqqsa u effiċjenza Coulomb, anke f'2C u 5C ingrandiment għoli, l-ebda kapaċità xejn, li jista 'jkun minħabba l-formazzjoni ta' metall Co fir-reazzjoni elettrokimika tal-litju u l-litju inkorporati, jew jista 'jkun il-partiċelli tal-metall imblukkat il-pori tad-dijaframma kkawża mikro short circuit.
Figura 8 Effetti ta 'kisi irregolari ta' elettrodu pożittiv u korpi barranin tal-metall Co u Al fuq il-kapaċità tal-multiplikatur tal-batterija u l-effiċjenza tal-coulen
Sommarju tad-difetti tal-folja tal-katodu: L-ates fil-kisja tal-folja tal-katodu tnaqqas l-effiċjenza Coulomb tal-batterija. Il-pinhole tal-kisja pożittiva tnaqqas l-effiċjenza ta 'Coulomb, li tirriżulta f'prestazzjoni fqira tal-multiplikatur, speċjalment f'densità għolja ta' kurrent. Il-kisi eteroġenju wera prestazzjoni fqira ta 'ingrandiment. Is-sustanzi li jniġġsu partiċelli tal-metall jistgħu jikkawżaw mikro-shorts circuits, u għalhekk jistgħu jnaqqsu ħafna l-kapaċità tal-batterija.
Il-Figura 9 turi l-impatt tal-istrixxa tal-fojl tat-tnixxija negattiva fuq il-kapaċità tal-multiplikatur u l-effiċjenza Kulun tal-batterija. Meta t-tnixxija sseħħ fl-elettrodu negattiv, il-kapaċità tal-batterija titnaqqas b'mod sinifikanti, iżda l-kapaċità tal-gramma mhix ovvja, u l-impatt fuq l-effiċjenza Kulun mhuwiex sinifikanti.
Figura 9 Influwenza tal-istrixxa tal-fojl tat-tnixxija tal-elettrodu negattiv fuq il-kapaċità tal-multiplikatur tal-batterija u l-effiċjenza Kulun (2) Influwenza fuq il-prestazzjoni taċ-ċiklu tal-multiplikatur tal-batterija Figura 10 hija r-riżultat tal-influwenza tad-difett tal-wiċċ tal-elettrodu fuq iċ-ċiklu tal-multiplikatur tal-batterija. Ir-riżultati tal-influwenza huma miġbura fil-qosor kif ġej:
Egregazzjoni: f'2C, ir-rata ta 'manutenzjoni tal-kapaċità ta' 200 ċiklu hija 70% u l-batterija difettuża hija 12%, filwaqt li f'ċiklu 5C, ir-rata ta 'manutenzjoni tal-kapaċità ta' 200 ċiklu hija 50% u l-batterija difettuża hija 14%.
Needlehole: l-attenwazzjoni tal-kapaċità hija ovvja, iżda l-ebda attenwazzjoni ta 'difett aggregat hija mgħaġġla, u r-rata ta' manutenzjoni tal-kapaċità ta '200 ċiklu 2C u 5C huma 47% u 40%, rispettivament.
Korp barrani tal-metall: il-kapaċità tal-korp barrani tal-metall Co hija kważi 0 wara diversi ċikli, u l-kapaċità taċ-ċiklu 5C tal-fojl tal-korp barrani tal-metall Al tonqos b'mod sinifikanti.
Strixxa ta 'tnixxija: Għall-istess żona ta' tnixxija, il-kapaċità tal-batterija ta 'strixxi iżgħar multipli tonqos aktar malajr minn strixxa akbar (47% għal 200 ċiklu f'5C) (7% għal 200 ċiklu f'5C). Dan jindika li iktar ma jkun kbir in-numru ta 'strixxi, akbar ikun l-impatt fuq iċ-ċiklu tal-batterija.
Figura 10 Effett tad-difetti tal-wiċċ tal-folja tal-elettrodu fuq iċ-ċiklu tar-rata taċ-ċelluli
Ref.: [1] Evalwazzjoni mhux distruttiva ta 'elettrodi tal-batteriji sekondarji tal-litju miksija b'slot-die permezz ta' kalibru tal-lejżer in-line u metodi ta 'termografija IR [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Effett. tad-difetti tal-manifattura tal-elettrodu fuq il-prestazzjoni elettrokimika tal-batteriji tal-jone tal-litju: Konjizzjoni tas-sorsi tal-falliment tal-batterija[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.
tweġiba fi żmien 6 sigħat, kwalunkwe mistoqsija hija milqugħa!
