Svelare il mistero: capacità super teorica delle batterie agli ioni di litio

Perché la batteria al litio esiste un fenomeno di capacità super teorico

Nelle batterie agli ioni di litio (LIB), molti elettrodi a base di ossido di metalli di transizione mostrano una capacità di accumulo insolitamente elevata oltre il loro valore teorico. Sebbene questo fenomeno sia stato ampiamente segnalato, i meccanismi fisico-chimici alla base di questi materiali rimangono sfuggenti e oggetto di dibattito.

Profilo dei risultati

Recentemente, il professor Miao Guoxing dell'Università di Waterloo, Canada, il professor Yu Guihua dell'Università del Texas ad Austin, e Li Hongsen e Li Qiang dell'Università di Qingdao hanno pubblicato congiuntamente un documento di ricerca sui materiali naturali dal titolo "Capacità di stoccaggio extra in batterie agli ioni di litio con ossido di metallo di transizione rivelate dalla magnetometria in situ". In questo lavoro, gli autori hanno utilizzato il monitoraggio magnetico in situ per dimostrare la presenza di una forte capacità superficiale sulle nanoparticelle metalliche e che un gran numero di elettroni polarizzati con spin possono essere immagazzinati in nanoparticelle metalliche già ridotte, il che è coerente con il meccanismo di carica spaziale. Inoltre, il meccanismo di carica spaziale rivelato può essere esteso ad altri composti di metalli di transizione, fornendo una guida chiave per la creazione di sistemi avanzati di stoccaggio dell’energia.

Punti salienti della ricerca

(1) Un tipico Fe è stato studiato utilizzando la tecnica di monitoraggio magnetico in situ3O4/ Evoluzione della struttura elettronica all'interno della batteria al Li;

(2) rivela che il Fe3O4Nel sistema / Li, la capacità di carica superficiale è la principale fonte di capacità extra;

(3) Il meccanismo della capacità superficiale delle nanoparticelle metalliche può essere esteso a un'ampia gamma di composti di metalli di transizione.

Testo e guida testuale

1. Caratterizzazione strutturale e proprietà elettrochimiche

Il Fe cavo monodisperso è stato sintetizzato con metodi idrotermali convenzionali3O4Nanosfere e quindi eseguito a 100 mAg−1Carica e scarica alla densità di corrente (Figura 1a), la prima capacità di scarica è 1718 mAh g−1, 1370 mAhg nella seconda e terza volta, rispettivamente− 1E 1,364 mAhg−1, molto più di 926 mAhg−1La teoria delle aspettative. Le immagini BF-STEM del prodotto completamente scarico (Figura 1b-c) indicano che dopo la riduzione del litio, le nanosfere Fe3O4 sono state convertite in nanoparticelle Fe più piccole che misurano circa 1 - 3 nm, disperse nel centro Li2O.

Per dimostrare il cambiamento nel magnetismo durante il ciclo elettrochimico, è stata ottenuta una curva di magnetizzazione dopo la scarica completa a 0.01 V (Figura 1d), che mostra il comportamento superparamagnetico dovuto alla formazione di nanoparticelle.

Figura 1 (a) a 100 mAg−1Fe del ciclo alla densità di corrente 3O4/curva di carica e scarica a corrente costante della batteria al litio; (b) immagine completamente al litio Fe3O4L'elettrodo BF-STEM; (c) la presenza di Li nelle immagini BF-STEM aggregate2 ad alta risoluzione sia di O che di Fe; (d) Fe3O4Le curve di isteresi dell'elettrodo prima (nero) e dopo (blu) e la curva adattata di Langevin di quest'ultimo (viola).

2. Rilevazione in tempo reale dell'evoluzione strutturale e magnetica

Al fine di combinare l'elettrochimica con Fe3O4Of cambiamenti strutturali e magnetici legati al Fe3O4, gli elettrodi sono stati sottoposti a diffrazione di raggi X in situ (XRD) e monitoraggio magnetico in situ. Fe in una serie di modelli di diffrazione XRD durante la scarica iniziale dalla tensione a circuito aperto (OCV) a 1.2V3O4. I picchi di diffrazione non sono cambiati in modo significativo né in intensità né in posizione (Figura 2a), indicando che solo Fe3O4 ha subito il processo di intercalazione del Li. Quando caricato a 3 V, la struttura anti-spinello Fe3O4 rimane intatta, suggerendo che il processo in questa finestra di tensione è altamente reversibile. È stato eseguito un ulteriore monitoraggio magnetico in situ combinato con test di carica-scarica a corrente costante per studiare come si evolve la magnetizzazione in tempo reale (Figura 2b).

Figura 2 Caratterizzazione dell'XRD in situ e monitoraggio magnetico. (A) XRD in situ; (b) Curva di carica-scarica elettrochimica Fe3O4 sotto un campo magnetico applicato di 3 T e corrispondente risposta magnetica reversibile in situ.

Per ottenere una comprensione più elementare di questo processo di conversione in termini di cambiamenti di magnetizzazione, la risposta magnetica viene raccolta in tempo reale e la corrispondente transizione di fase accompagna le reazioni guidate elettrochimicamente (Figura 3). È abbastanza chiaro che durante la prima scarica, il Fe3O4La risposta alla magnetizzazione degli elettrodi differisce dagli altri cicli dovuti al Fe durante la prima litalizzazione3O4A causa della transizione di fase irreversibile. Quando il potenziale è sceso a 0.78 V, la fase antispinello Fe3O4 è stata convertita per contenere la struttura di salgemma di classe FeO Li2 di O, la fase Fe3O4 non può essere ripristinata dopo la carica. Di conseguenza, la magnetizzazione scende rapidamente a 0.482 μ b Fe−1. Man mano che la litializzazione procede, non si è formata alcuna nuova fase e l'intensità dei picchi di diffrazione di classe FeO (200) e (220) ha iniziato a indebolirsi. uguale a Fe3O4Non viene mantenuto alcun picco XRD significativo quando l'elettrodo è completamente liializzato (Figura 3a). Si noti che quando l'elettrodo Fe3O4 si scarica da 0.78 V a 0.45 V, la magnetizzazione (da 0.482 μ b Fe−1 aumenta a 1.266 μ bFe−1), questa è stata attribuita alla reazione di conversione da FeO a Fe. Quindi, al termine della scarica, la magnetizzazione è stata lentamente ridotta a 1.132 μ B Fe−1. Questa scoperta suggerisce che le nanoparticelle metalliche Fe0Nano, completamente ridotte, possono ancora partecipare alla reazione di accumulo del litio, riducendo così la magnetizzazione degli elettrodi.

Figura 3 Osservazioni in situ della transizione di fase e della risposta magnetica.（a）Fe3O4Mappa XRD in situ raccolta durante la prima scarica dell'elettrodo; (b) Fe3O4 Misurazione della forza magnetica in situ dei cicli elettrochimici delle celle / Li con un campo magnetico applicato di 3 T.

3. Fe0/Li2Capacità superficiale del sistema O

Fe3O4I cambiamenti magnetici degli elettrodi si verificano a basse tensioni, alle quali molto probabilmente viene generata una capacità elettrochimica aggiuntiva, suggerendo la presenza di portatori di carica non ancora scoperti all'interno della cella. Per esplorare il potenziale meccanismo di stoccaggio del litio, il Fe è stato studiato mediante XPS, STEM e spettro di prestazioni magnetiche3O4Elettrodi con picchi di magnetizzazione a 0.01 V, 0.45 V e 1.4 V per determinare la fonte del cambiamento magnetico. I risultati mostrano che il momento magnetico è un fattore chiave che influenza il cambiamento magnetico, perché i valori Fe0/Li2The Ms misurati del sistema O non sono influenzati dall’anisotropia magnetica e dall’accoppiamento interparticellare.

Per comprendere meglio le proprietà cinetiche Fe3O4The degli elettrodi a bassa tensione, voltammetria ciclica a diverse velocità di scansione. Come mostrato nella Figura 4a, la curva del voltammogramma ciclico rettangolare appare nell'intervallo di tensione compreso tra 0.01 V e 1 V (Figura 4a). La Figura 4b mostra che la risposta capacitiva Fe3O4A si è verificata sull'elettrodo. Con la risposta magnetica altamente reversibile del processo di carica e scarica a corrente costante (Figura 4c), la magnetizzazione dell'elettrodo è diminuita da 1 V a 0.01 V durante il processo di scarica ed è aumentata nuovamente durante il processo di carica, indicando che Fe0O del condensatore la reazione superficiale è altamente reversibile.

Figura 4 proprietà elettrochimiche e caratterizzazione magnetica in situ a 0.011 V. (A) La curva voltammetrica ciclica. (B) il valore b è determinato utilizzando la correlazione tra la corrente di picco e la velocità di scansione; (c) la variazione reversibile della magnetizzazione relativa alla curva carica-scarica sotto un campo magnetico applicato di 5 T.

sopra menzionato Fe3O4Le caratteristiche elettrochimiche, strutturali e magnetiche degli elettrodi indicano che la capacità aggiuntiva della batteria è determinata da Fe0La capacità superficiale polarizzata con spin delle nanoparticelle è causata dai cambiamenti magnetici associati. La capacità polarizzata in spin è il risultato dell'accumulo di carica polarizzata in spin sull'interfaccia e può mostrare una risposta magnetica durante la carica e la scarica. a Fe3O4L'elettrodo di base, durante il primo processo di scarica, è stato disperso in nanoparticelle di Fe Li2Fine nel substrato O hanno grandi rapporti superficie-volume e realizzano un'elevata densità di stati al livello di Fermi a causa degli orbitali d altamente localizzati. Secondo il modello teorico di Maier dell'immagazzinamento spaziale della carica, gli autori propongono che grandi quantità di elettroni possano essere immagazzinate nelle bande di divisione dello spin delle nanoparticelle metalliche di Fe, che possono essere trovate in Fe / Li2Creando condensatori superficiali con spin polarizzati nei nanocompositi di O ( Figura 5).

grafico 5Fe/Li2A Rappresentazione schematica della capacità superficiale degli elettroni polarizzati in spin sull'interfaccia O. (A) il diagramma schematico della densità dello stato di polarizzazione in spin della superficie delle particelle metalliche ferromagnetiche (prima e dopo la scarica), contrariamente a la polarizzazione dello spin di massa del ferro; (b) la formazione della regione di carica spaziale nel modello del condensatore superficiale del litio sovraimmagazzinato.

Riepilogo e prospettive

TM / Li è stato studiato mediante monitoraggio magnetico in situ avanzato2L'evoluzione della struttura elettronica interna del nanocomposito O per rivelare la fonte di capacità di stoccaggio aggiuntiva per questa batteria agli ioni di litio. I risultati mostrano che, sia nel sistema cellulare modello Fe3O4/Li, le nanoparticelle di Fe ridotte elettrochimicamente possono immagazzinare grandi quantità di elettroni polarizzati in spin, risultando a causa dell'eccessiva capacità cellulare e del magnetismo interfacciale significativamente alterato. Esperimenti ulteriormente convalidati CoO, NiO e FeF2E Fe2La presenza di tale capacità nel materiale dell'elettrodo N indica l'esistenza di capacità superficiale polarizzata con spin delle nanoparticelle metalliche nelle batterie agli ioni di litio e pone le basi per l'applicazione di questo meccanismo di stoccaggio della carica spaziale in altre transizioni materiali per elettrodi a base di composti metallici.

Collegamento alla letteratura

Capacità di stoccaggio aggiuntiva nelle batterie agli ioni di litio con ossido di metallo di transizione rivelata dalla magnetometria in situ (Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

L'influenza della formula di progettazione del wafer dell'elettrodo di litio e dei difetti del wafer dell'elettrodo sulle prestazioni

1. Articolo sulla fondazione del design cinematografico Pole

L'elettrodo della batteria al litio è un rivestimento composto da particelle, applicato uniformemente al fluido metallico. Il rivestimento degli elettrodi delle batterie agli ioni di litio può essere considerato un materiale composito, composto principalmente da tre parti:

(1) Particelle di sostanza attiva;

(2) la fase costitutiva dell'agente conduttivo e dell'agente (fase adesiva di carbonio);

(3) Poro, riempire con l'elettrolita.

La relazione di volume di ciascuna fase è espressa come:

Porosità + frazione volumetrica della materia vivente + frazione volumetrica della fase adesiva del carbonio =1

La progettazione degli elettrodi della batteria al litio è molto importante e ora vengono brevemente presentate le conoscenze di base sulla progettazione degli elettrodi della batteria al litio.

(1) Capacità teorica del materiale dell'elettrodo La capacità teorica del materiale dell'elettrodo, ovvero la capacità fornita da tutti gli ioni di litio presenti nel materiale coinvolto nella reazione elettrochimica, il suo valore è calcolato dalla seguente equazione:

Ad esempio, il LiFePO4La massa molare è 157.756 g/mol e la sua capacità teorica è:

Questo valore calcolato è solo la capacità teorica in grammi. Al fine di garantire la struttura reversibile del materiale, il coefficiente effettivo di rimozione degli ioni di litio è inferiore a 1 e la capacità effettiva in grammi del materiale è:

Capacità effettiva in grammi del materiale = capacità teorica del coefficiente di disconnessione degli ioni di litio

(2) Capacità di progetto della batteria e densità estremamente unilaterale La capacità di progetto della batteria può essere calcolata con la seguente formula: capacità di progetto della batteria = densità della superficie del rivestimento rapporto di materiale attivo capacità in grammi di materiale attivo area di rivestimento del foglio polare

Tra questi, la densità superficiale del rivestimento è un parametro di progettazione chiave. Quando la densità di compattazione rimane invariata, l'aumento della densità della superficie del rivestimento significa che aumenta lo spessore della lamiera polare, aumenta la distanza di trasmissione degli elettroni e aumenta la resistenza degli elettroni, ma il grado di aumento è limitato. Nel foglio spesso dell'elettrodo, l'aumento dell'impedenza di migrazione degli ioni di litio nell'elettrolita è la ragione principale che influenza le caratteristiche del rapporto. Considerando la porosità e le torsioni dei pori, la distanza di migrazione degli ioni nei pori è molte volte superiore allo spessore della lamiera polare.

(3) Il rapporto tra capacità negativa-positiva N/P capacità negativa e capacità positiva è definito come:

N/P dovrebbe essere maggiore di 1.0, generalmente 1.04~1.20, che è principalmente nella progettazione di sicurezza, per evitare che gli ioni di litio del lato negativo precipitino senza una fonte di accettazione, progettazione per considerare la capacità del processo, come la deviazione del rivestimento. Tuttavia, quando N/P è troppo grande, la batteria perderà capacità irreversibile, con conseguente bassa capacità della batteria e minore densità di energia della batteria.

Per l'anodo di titanato di litio, viene adottato il design in eccesso dell'elettrodo positivo e la capacità della batteria è determinata dalla capacità dell'anodo di titanato di litio. Il design in eccesso positivo contribuisce a migliorare le prestazioni della batteria ad alta temperatura: il gas ad alta temperatura proviene principalmente dall'elettrodo negativo. Nel design in eccesso positivo, il potenziale negativo è basso ed è più facile formare una pellicola SEI sulla superficie del titanato di litio.

(4) Densità di compattazione e porosità del rivestimento Nel processo di produzione, la densità di compattazione del rivestimento dell'elettrodo della batteria viene calcolata con la seguente formula. Considerando che quando il foglio polare viene arrotolato, la lamina metallica viene estesa, la densità superficiale del rivestimento dopo il rullo viene calcolata con la seguente formula.

Come accennato in precedenza, il rivestimento è costituito da fase di materiale vivente, fase adesiva di carbonio e poro e la porosità può essere calcolata mediante la seguente equazione.

Tra questi, la densità media del rivestimento è: l'elettrodo della batteria al litio è una sorta di particelle di polvere di rivestimento, perché la superficie delle particelle di polvere è ruvida, di forma irregolare, quando si accumulano particelle tra particelle e particelle, e alcune particelle stesse hanno crepe e pori, quindi il volume della polvere compreso il volume della polvere, i pori tra le particelle di polvere e le particelle, quindi, la corrispondente varietà di densità del rivestimento dell'elettrodo e rappresentazione della porosità. La densità delle particelle di polvere si riferisce alla massa della polvere per unità di volume. In base al volume della polvere, questa è divisa in tre tipi: densità reale, densità delle particelle e densità di accumulo. Le varie densità sono definite come segue:

1. La vera densità si riferisce alla densità ottenuta dividendo la massa della polvere per il volume (volume reale) escludendo gli spazi interni ed esterni delle particelle. Cioè la densità della materia stessa ottenuta escludendo il volume di tutti i vuoti.
2. La densità delle particelle si riferisce alla densità delle particelle ottenuta dividendo la massa della polvere divisa per il volume delle particelle compreso il foro aperto e il foro chiuso. Cioè, lo spazio tra le particelle, ma non i pori fini all'interno delle particelle, la densità delle particelle stesse.
3. La densità di accumulo, ovvero la densità del rivestimento, si riferisce alla densità ottenuta dalla massa di polvere divisa per il volume del rivestimento formato dalla polvere. Il volume utilizzato comprende i pori delle particelle stesse e i vuoti tra le particelle.

Per la stessa polvere, densità reale> densità delle particelle> densità di impaccamento. La porosità della polvere è il rapporto tra i pori nel rivestimento delle particelle di polvere, ovvero il rapporto tra il volume del vuoto tra le particelle di polvere e i pori delle particelle rispetto al volume totale del rivestimento, che è comunemente espresso in percentuale. La porosità della polvere è una proprietà globale correlata alla morfologia delle particelle, allo stato superficiale, alla dimensione delle particelle e alla distribuzione delle dimensioni delle particelle. La sua porosità influisce direttamente sull'infiltrazione dell'elettrolita e sulla trasmissione degli ioni di litio. In generale, maggiore è la porosità, più facile è l'infiltrazione dell'elettrolita e più veloce è la trasmissione degli ioni di litio. Pertanto, nella progettazione della batteria al litio, a volte per determinare la porosità, il metodo comunemente utilizzato per la pressione del mercurio, il metodo di adsorbimento del gas, ecc. Può anche essere ottenuto utilizzando il calcolo della densità. La porosità può anche avere implicazioni diverse quando si utilizzano densità diverse per i calcoli. Quando la densità della porosità della sostanza vivente, dell'agente conduttivo e del legante viene calcolata in base alla densità reale, la porosità calcolata include lo spazio tra le particelle e lo spazio all'interno delle particelle. Quando la porosità della sostanza vivente, dell'agente conduttivo e del legante viene calcolata mediante la densità delle particelle, la porosità calcolata include lo spazio tra le particelle, ma non lo spazio all'interno delle particelle. Pertanto, anche la dimensione dei pori del foglio dell'elettrodo della batteria al litio è multiscala, generalmente lo spazio tra le particelle è su scala micrometrica, mentre lo spazio all'interno delle particelle è su scala da nanometri a sub-submicron. Negli elettrodi porosi, la relazione tra le proprietà di trasporto quali diffusività effettiva e conduttività può essere espressa dalla seguente equazione:

Dove D0 rappresenta la velocità di diffusione (conduzione) intrinseca del materiale stesso, ε è la frazione di volume della fase corrispondente e τ è la curvatura tortuosa della fase corrispondente. Nel modello macroscopico omogeneo viene generalmente utilizzata la relazione di Bruggeman, assumendo il coefficiente ɑ=1.5 per stimare l’effettiva positività degli elettrodi porosi.

L'elettrolita viene riempito nei pori degli elettrodi porosi, in cui gli ioni di litio vengono condotti attraverso l'elettrolita e le caratteristiche di conduzione degli ioni di litio sono strettamente correlate alla porosità. Maggiore è la porosità, maggiore è la frazione volumetrica della fase elettrolitica e maggiore è la conduttività effettiva degli ioni litio. Nel foglio dell'elettrodo positivo, gli elettroni vengono trasmessi attraverso la fase adesiva al carbonio, la frazione volumetrica della fase adesiva al carbonio e la deviazione della fase adesiva al carbonio determinano direttamente l'effettiva conduttività degli elettroni.

La porosità e la frazione in volume della fase adesiva del carbonio sono contraddittorie e la grande porosità porta inevitabilmente alla frazione in volume della fase adesiva del carbonio, pertanto anche le proprietà di conduzione effettiva degli ioni di litio e degli elettroni sono contraddittorie, come mostrato nella Figura 2 Quando la porosità diminuisce, la conduttività effettiva degli ioni di litio diminuisce mentre la conduttività effettiva degli elettroni aumenta. Anche il modo in cui bilanciare i due è fondamentale nella progettazione dell'elettrodo.

Figura 2 Diagramma schematico della porosità e della conduttività degli ioni di litio e degli elettroni

2. Tipologia e rilevamento dei difetti dei poli

 

Attualmente, nel processo di preparazione dei poli della batteria, vengono adottate sempre più tecnologie di rilevamento online, in modo da identificare efficacemente i difetti di fabbricazione dei prodotti, eliminare i prodotti difettosi e fornire feedback tempestivi alla linea di produzione, aggiustamenti automatici o manuali alla produzione processo, per ridurre il tasso difettoso.

Le tecnologie di rilevamento in linea comunemente utilizzate nella produzione di fogli polari includono il rilevamento delle caratteristiche dell'impasto liquido, il rilevamento della qualità dei fogli polari, il rilevamento delle dimensioni e così via. Ad esempio: (1) il misuratore di viscosità online è installato direttamente nel serbatoio di stoccaggio del rivestimento per rilevare il contenuto reologico caratteristiche del liquame in tempo reale, testare la stabilità del liquame; (2) Utilizzo di raggi X o raggi β nel processo di rivestimento, elevata precisione di misurazione, ma radiazioni elevate, prezzo elevato delle apparecchiature e problemi di manutenzione; (3) La tecnologia di misurazione dello spessore online laser viene applicata per misurare lo spessore della lamiera polare. La precisione della misurazione può raggiungere ± 1 μ m. Può anche visualizzare la tendenza al cambiamento dello spessore e dello spessore misurati in tempo reale. Facilita la tracciabilità dei dati. e analisi; (0) Tecnologia di visione CCD, ovvero il CCD line array viene utilizzato per scansionare l'oggetto misurato, elaborazione delle immagini in tempo reale e analisi delle categorie di difetti, realizzazione del rilevamento online non distruttivo dei difetti superficiali della lamiera polare.

Come strumento di controllo qualità, la tecnologia di test online è essenziale anche per comprendere la correlazione tra difetti e prestazioni della batteria, in modo da determinare i criteri qualificato/non qualificato per i prodotti semilavorati.

Nell'ultima parte, vengono brevemente introdotti il ​​nuovo metodo della tecnologia di rilevamento dei difetti superficiali della batteria agli ioni di litio, la tecnologia di imaging termico a infrarossi e la relazione tra questi diversi difetti e le prestazioni elettrochimiche. consultare D. Mohanty Uno studio approfondito di Mohanty et al.

(1) Difetti comuni sulla superficie della lamiera polare

La Figura 3 mostra i difetti comuni sulla superficie dell'elettrodo della batteria agli ioni di litio, con l'immagine ottica a sinistra e l'immagine catturata dalla termocamera a destra.

Figura 3 Difetti comuni sulla superficie della lamiera polare: (a, b) involucro/aggregato rigonfiamento; (c, d) materiale in caduta/foro stenopeico; (e, f) corpo estraneo metallico; (g, h) rivestimento irregolare

 

(A, b) rigonfiamento/aggregato sollevato, tali difetti possono verificarsi se l'impasto liquido viene agitato uniformemente o se la velocità di rivestimento è instabile. La aggregazione degli agenti adesivi e conduttivi del nerofumo porta ad un basso contenuto di principi attivi e ad un peso leggero delle compresse polari.

 

(c, d) goccia/foro stenopeico, queste aree difettose non sono rivestite e sono solitamente prodotte da bolle nel liquame. Riducono la quantità di materiale attivo ed espongono il collettore all'elettrolita, riducendo così la capacità elettrochimica.

 

(E, f) corpi estranei metallici, fanghi o corpi estranei metallici introdotti nell'apparecchiatura e nell'ambiente e corpi estranei metallici possono causare gravi danni alle batterie al litio. Grandi particelle metalliche danneggiano direttamente il diaframma, provocando un cortocircuito tra gli elettrodi positivo e negativo, che è un cortocircuito fisico. Inoltre, quando il corpo estraneo metallico viene mescolato nell'elettrodo positivo, il potenziale positivo aumenta dopo la carica, il metallo si scioglie, si diffonde attraverso l'elettrolita, quindi precipita sulla superficie negativa e infine perfora il diaframma, formando un cortocircuito. che è un cortocircuito di dissoluzione chimica. I corpi estranei metallici più comuni nel sito della fabbrica di batterie sono Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS, ecc.

 

(g, h) rivestimento irregolare, ad esempio la miscelazione dell'impasto liquido non è sufficiente, è facile che compaiano strisce sulla finezza delle particelle quando la particella è grande, con conseguente rivestimento irregolare, che influenzerà la consistenza della capacità della batteria e apparirà persino completamente nessuna striscia di rivestimento, ha un impatto sulla capacità e sulla sicurezza.

(2) Tecnologia di rilevamento dei difetti superficiali del chip pole La tecnologia di imaging termico a infrarossi (IR) viene utilizzata per rilevare difetti minori sugli elettrodi asciutti che possono danneggiare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio. Durante il rilevamento in linea, se viene rilevato un difetto dell'elettrodo o un inquinante, contrassegnarlo sul foglio polare, eliminarlo nel processo successivo e inviarlo alla linea di produzione e regolare il processo in tempo per eliminare i difetti. Il raggio infrarosso è un tipo di onda elettromagnetica che ha la stessa natura delle onde radio e della luce visibile. Uno speciale dispositivo elettronico viene utilizzato per convertire la distribuzione della temperatura della superficie di un oggetto in un'immagine visibile dall'occhio umano e per visualizzare la distribuzione della temperatura della superficie di un oggetto in diversi colori è chiamata tecnologia di imaging termico a infrarossi. Questo dispositivo elettronico è chiamato termocamera a infrarossi. Tutti gli oggetti al di sopra dello zero assoluto (-273 ℃) emettono radiazioni infrarosse.
Come mostrato nella Figura 4, l'approssimatore termico a infrarossi (telecamera IR) utilizza il rilevatore a infrarossi e l'obiettivo di imaging ottico per accettare il modello di distribuzione dell'energia della radiazione infrarossa dell'oggetto target misurato e rifletterlo sull'elemento fotosensibile del rilevatore a infrarossi per ottenere il risultato immagine termica all'infrarosso, che corrisponde al campo di distribuzione termica sulla superficie dell'oggetto. Quando c'è un difetto sulla superficie di un oggetto, la temperatura nell'area cambia. Pertanto, questa tecnologia può essere utilizzata anche per rilevare i difetti sulla superficie dell'oggetto, particolarmente adatta per alcuni difetti che non possono essere distinti mediante mezzi di rilevamento ottico. Quando l'elettrodo di asciugatura della batteria agli ioni di litio viene rilevato online, l'elettrodo viene prima irradiato dal flash, la temperatura superficiale cambia e quindi la temperatura superficiale viene rilevata con una termocamera. Viene visualizzata l'immagine della distribuzione del calore e l'immagine viene elaborata e analizzata in tempo reale per rilevare i difetti superficiali e contrassegnarli nel tempo.D. Mohanty Lo studio ha installato una termocamera all'uscita del forno di essiccazione del rivestimento per rilevare l'immagine della distribuzione della temperatura della superficie del foglio dell'elettrodo.

La Figura 5 (a) è una mappa di distribuzione della temperatura della superficie del rivestimento del foglio di polo positivo NMC rilevato dalla termocamera, che contiene un difetto molto piccolo che non può essere distinto ad occhio nudo. La curva di distribuzione della temperatura corrispondente al segmento del percorso è mostrata nel riquadro interno, con un picco di temperatura nel punto del difetto. Nella Figura 5 (b), la temperatura aumenta localmente nel riquadro corrispondente, corrispondente al difetto della superficie della lamiera polare. FICO. 6 è un diagramma di distribuzione della temperatura superficiale del foglio dell'elettrodo negativo che mostra l'esistenza di difetti, dove il picco di aumento della temperatura corrisponde alla bolla o all'aggregato, e l'area di diminuzione della temperatura corrisponde al foro stenopeico o alla goccia.

Figura 5 Distribuzione della temperatura della superficie del foglio dell'elettrodo positivo

Figura 6 Distribuzione della temperatura della superficie dell'elettrodo negativo

 

Si può vedere che il rilevamento mediante immagine termica della distribuzione della temperatura è un buon mezzo per il rilevamento dei difetti superficiali delle piastre polari, che può essere utilizzato per il controllo di qualità della produzione delle piastre polari.3. Effetto dei difetti superficiali della lamiera polare sulle prestazioni della batteria

 

(1) Impatto sulla capacità del moltiplicatore della batteria e sull'efficienza di Coulomb

La Figura 7 mostra la curva di influenza dell'aggregato e del foro stenopeico sulla capacità del moltiplicatore della batteria e sull'efficienza della coulen. L'aggregato può effettivamente migliorare la capacità della batteria, ma ridurre l'efficienza del coulen. Il foro stenopeico riduce la capacità della batteria e l'efficienza del Kulun, che a sua volta diminuisce notevolmente a velocità elevata.

Figura 7 L'aggregato catodico e l'effetto stenopeico sulla capacità della batteria e l'efficienza della Figura 8 sono un rivestimento irregolare e un corpo estraneo metallico Co e Al sulla capacità della batteria e l'effetto della curva di efficienza, il rivestimento irregolare riduce la capacità di massa dell'unità batteria del 10% - 20%, ma la capacità complessiva della batteria è diminuita del 60%, ciò dimostra che la massa vivente nella porzione polare si è notevolmente ridotta. Il corpo estraneo di Metal Co ha capacità ridotta ed efficienza di Coulomb, anche ad alto ingrandimento 2C e 5C, nessuna capacità, il che potrebbe essere dovuto alla formazione di metallo Co nella reazione elettrochimica del litio e del litio incorporato, oppure potrebbero essere le particelle metalliche ha bloccato il poro del diaframma causando un microcortocircuito.

Figura 8 Effetti del rivestimento irregolare dell'elettrodo positivo e dei corpi estranei metallici Co e Al sulla capacità del moltiplicatore della batteria e sull'efficienza della coulen

Riepilogo dei difetti del foglio catodico: gli aloni nel rivestimento del foglio catodico riducono l'efficienza Coulomb della batteria. Il foro stenopeico del rivestimento positivo riduce l'efficienza di Coulomb, con conseguente scarsa prestazione del moltiplicatore, soprattutto ad alta densità di corrente. Il rivestimento eterogeneo ha mostrato scarse prestazioni di ingrandimento. Le particelle inquinanti di metalli possono causare micro-cortocircuiti e quindi ridurre notevolmente la capacità della batteria.
La Figura 9 mostra l'impatto della striscia di pellicola a dispersione negativa sulla capacità del moltiplicatore e sull'efficienza Kulun della batteria. Quando si verifica una perdita sull'elettrodo negativo, la capacità della batteria viene notevolmente ridotta, ma la capacità in grammi non è evidente e l'impatto sull'efficienza Kulun non è significativo.

 

Figura 9 Influenza della striscia di pellicola con dispersione dell'elettrodo negativo sulla capacità del moltiplicatore della batteria e sull'efficienza Kulun (2) Influenza sulle prestazioni del ciclo del moltiplicatore della batteria La Figura 10 è il risultato dell'influenza del difetto della superficie dell'elettrodo sul ciclo del moltiplicatore della batteria. I risultati dell’influenza sono riassunti come segue:
Egregazione: a 2C, il tasso di mantenimento della capacità di 200 cicli è del 70% e la batteria difettosa è del 12%, mentre nel ciclo 5C, il tasso di mantenimento della capacità di 200 cicli è del 50% e la batteria difettosa è del 14%.
Ago: l'attenuazione della capacità è evidente, ma nessuna attenuazione dei difetti aggregati è rapida e il tasso di mantenimento della capacità di 200 cicli 2C e 5C è rispettivamente del 47% e 40%.
Corpo estraneo metallico: la capacità del corpo estraneo metallico Co è quasi pari a 0 dopo diversi cicli e la capacità del ciclo 5C del foglio di alluminio del corpo estraneo metallico diminuisce in modo significativo.
Striscia con perdite: per la stessa area con perdite, la capacità della batteria di più strisce più piccole diminuisce più velocemente di una striscia più grande (47% per 200 cicli in 5C) (7% per 200 cicli in 5C). Ciò indica che maggiore è il numero di strisce, maggiore è l'impatto sul ciclo della batteria.

Figura 10 Effetto dei difetti superficiali del foglio di elettrodi sul ciclo della velocità cellulare

 

Rif.: [1] Valutazione non distruttiva degli elettrodi di batterie secondarie al litio con rivestimento slot-die mediante calibro laser in linea e metodi di termografia IR [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Effetto dei difetti di fabbricazione degli elettrodi sulle prestazioni elettrochimiche delle batterie agli ioni di litio: conoscenza delle fonti di guasto della batteria[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.