Enthüllung vum Geheimnis: Super Theoretesch Kapazitéit a Lithium-Ion Batterien

Firwat Lithium Batterie existéiert super theoretesch Muecht Phänomen

A Lithium-Ion Batterien (LIBs), vill Iwwergangsmetalloxid-baséiert Elektroden weisen ongewéinlech héich Späicherkapazitéit iwwer hiren theoreteschen Wäert. Och wann dëst Phänomen wäit gemellt gouf, bleiwen déi ënnerierdesch physikalesch-chemesch Mechanismen an dëse Materialien onkloer a bleiwen eng Fro vun der Debatt.

Profil vun Resultater

Viru kuerzem hunn de Professer Miao Guoxing vun der University of Waterloo, Kanada, Professer Yu Guihua vun der University of Texas zu Austin, a Li Hongsen a Li Qiang vun der Qingdao University zesumme e Fuerschungspabeier iwwer Naturmaterialien publizéiert ënner dem Titel "Extra Späicherkapazitéit an Iwwergangsmetalloxid Lithium-Ion-Batterien duerch in situ Magnetometrie opgedeckt. An dëser Aarbecht hunn d'Auteuren in situ magnetesch Iwwerwaachung benotzt fir d'Präsenz vu staarker Uewerflächkapazitanz op Metall Nanopartikelen ze demonstréieren an datt eng grouss Zuel vu spin-polariséierte Elektronen a scho reduzéierte Metall Nanopartikele gespäichert kënne ginn, wat konsequent mam raimleche Ladungsmechanismus ass. Zousätzlech kann den opgedeckten raimleche Ladungsmechanismus op aner Iwwergangsmetallverbindunge verlängert ginn, e Schlësselguide fir d'Etablissement vun fortgeschratt Energielagerungssystemer.

Fuerschung Highlights

(1) Eng typesch Fe gouf studéiert andeems d'in-situ magnetesch Iwwerwaachungstechnik3O4 / Evolutioun vun der elektronescher Struktur an der Li Batterie benotzt;

(2) weist datt de Fe3O4Am / Li System d'Uewerflächeladungskapazitéit d'Haaptquell vun der extra Kapazitéit ass;

(3) D'Uewerfläch Kapazitéit Mechanismus vun Metal Nanopartikel kann op eng breet Palette vun Transitioun Metal Verbindungen verlängert ginn.

Text an Text Guide

1. Strukturell Charakteriséierung an elektrochemesch Eegeschaften

Monodisperse huel Fe gouf duerch konventionell hydrothermesch Methoden3O4Nanospheres synthetiséiert, an duerno bei 100 mAg−1 Charge an Entladung bei der aktueller Dicht (Figure 1a) duerchgefouert, déi éischt Entladungskapazitéit ass 1718 mAh g−1, 1370 mAhg an der zweeter an drëtter Kéier respektiv. 1An 1,364 mAhg-1, Wäit iwwer 926 mAhg-1 D'Theorie vun Erwaardungen. BF-STEM Biller vum komplett entlaaschte Produkt (Figure 1b-c) weisen datt no der Lithiumreduktioun Fe3O4The Nanosphären a méi kleng Fe Nanopartikel ëmgewandelt goufen, déi ongeféier 1 - 3 nm moossen, am Li2O Zentrum verspreet.

Fir d'Verännerung vum Magnetismus während dem elektrochemesche Zyklus ze demonstréieren, gouf eng Magnetiséierungskurve no voller Entladung op 0.01 V kritt (Figure 1d), déi de superparamagnetesche Verhalen duerch d'Bildung vun Nanopartikelen weist.

Figur 1 (a) bei 100 mAg−1Fe vum Vëlo bei der aktueller Dicht3O4 / Konstant aktuell Ladung an Auslaaschtkurve vun der Li Batterie; (b) voll Lithium Fe3O4The BF-STEM Bild vun der Elektrode; (c) d'Präsenz vu Li an den aggregate2High-Resolutioun BF-STEM Biller vu béiden O a Fe; (d) Fe3O4D'Hysteresekurven vun der Elektrode virun (schwaarz) an no (blo), an d'Langevin gepasst Curve vun der leschter (violett).

2. Echtzäit Detektioun vu struktureller a magnetescher Evolutioun

Fir d'Elektrochemie mat Fe3O4Of strukturellen a magnetesche Verännerungen ze kombinéieren, verbonne mat de Fe3O4, goufen d'Elektroden in situ Röntgendiffraktioun (XRD) an in situ magnetescher Iwwerwaachung ënnerworf. Fe an enger Serie vun XRD Diffraktiounsmuster während der initialer Entladung vun der Open-Circuit Spannung (OCV) op 1.2V3O4D'Diffraktiounspeaks hu sech weder an der Intensitéit oder der Positioun wesentlech geännert (Figur 2a), wat beweist datt de Fe3O4Only de Li-Interkalatiounsprozess erlieft huet. Wann op den 3V gelueden ass, bleift d'Fe3O4The Anti-Spinel Struktur intakt, wat suggeréiert datt de Prozess an dëser Spannungsfenster héich reversibel ass. Weider in-situ magnetesch Iwwerwachung kombinéiert mat konstante Stroum-Lade-Entladungstester gouf gemaach fir z'ënnersichen wéi d'Magnetiséierung an Echtzäit evoluéiert (Dorënner 2b).

Figur 2 Charakteriséierung vun in-situ XRD a Magnéitfeld Iwwerwachung. (A) in situ XRD; (b) Fe3O4Electrochemical charge-Entladungskurve ënner 3 T ugewandt Magnéitfeld an entspriechend reversibel in situ magnetesch Äntwert.

Fir e méi Basisverständnis vun dësem Konversiounsprozess a punkto Magnetiséierungsverännerungen ze kréien, gëtt d'magnetesch Äntwert an Echtzäit gesammelt an de entspriechende Phasetransitioun begleet elektrochemesch ugedriwwe Reaktiounen (Figur 3). Et ass ganz kloer datt während der éischter Entladung d'Fe3O4D'Magnetiséierungsreaktioun vun den Elektroden ënnerscheet sech vun deenen aneren Zyklen duerch Fe während der éischter Lithaliséierung3O4Duerch den irreversiblen Phaseniwwergang geschitt. Wann d'Potenzial op 0.78V gefall ass, gouf d'Fe3O4D'Antispinelphase ëmgewandelt fir Li2D'Klass FeO Halitstruktur vun O, Fe3O4D'Phase ze enthalen kann net nom Laden restauréiert ginn. Entspriechend fällt d'Magnetiséierung séier op 0.482 μ b Fe−1. Wéi d'Lithialiséierung viru geet, gouf keng nei Phas geformt, an d'Intensitéit vun (200) an (220) Klass FeO Diffraktiounspeaks ugefaang ze schwächen.gläich Fe3O4There gëtt kee bedeitende XRD Peak zréckbehalen wann d'Elektrode komplett liialiséiert ass (Dorënner 3a). Notéiert datt wann d'Fe3O4 Elektrode vun 0.78V op 0.45V entléisst, ass d'Magnetiséierung (vun 0.482 μ b Fe−1 eropgaang op 1.266 μ bFe−1), Dëst gouf zu der Konversiounsreaktioun vu FeO op Fe zougeschriwwen. Dann, um Enn vun der Entladung, gouf d'Magnetiséierung lues op 1.132 μB Fe−1 ofgeholl. Dës Entdeckung hindeit datt déi voll reduzéiert Metal Fe0Nanopartikel nach ëmmer un der Lithiumspäicherreaktioun deelhuelen kënnen, sou datt d'Magnetiséierung vun den Elektroden reduzéiert gëtt.

Figur 3 In situ Observatioune vun der Phase Transitioun an der magnetescher Äntwert. (a) Fe3O4In situ XRD Kaart während der éischter Offlossquantitéit vun der Elektrode gesammelt; (b) Fe3O4 In situ magnetesch Kraaftmessung vun elektrochemesche Zyklen vun / Li Zellen bei engem ugewandte Magnéitfeld vun 3 T.

3. Fe0/Li2Surface Kapazitéit vum O System

Fe3O4Déi magnetesch Verännerunge vun den Elektroden geschéien bei niddrege Spannungen, bei deenen eng zousätzlech elektrochemesch Kapazitéit héchstwahrscheinlech generéiert gëtt, wat d'Präsenz vun onentdeckten Ladungsträger an der Zell suggeréiert. Fir de potenziellen Lithium-Späichermechanismus z'entdecken, gouf Fe mat XPS, STEM a magnetesche Leeschtungsspektrum 3O4 Elektroden vu Magnetiséierungspeaks bei 0.01V, 0.45V an 1.4V studéiert fir d'Quell vun der magnetescher Verännerung ze bestëmmen. D'Resultater weisen datt de magnetesche Moment e Schlësselfaktor ass, deen d'magnetesch Ännerung beaflosst, well déi gemoossene Fe0/Li2The Ms vum O System net vun der magnetescher Anisotropie an der Interpartikelkupplung beaflosst ginn.

Fir d'Fe3O4 weider ze verstoen D'kinetesch Eegeschafte vun den Elektroden bei niddereger Spannung, zyklesch Voltammetrie bei verschiddene Scanraten. Wéi an der Figur 4a gewisen, erschéngt déi rechteckeg zyklesch Voltammogrammkurve am Spannungsberäich tëscht 0.01V an 1V (Figur 4a). Figur 4b weist datt d'Fe3O4A kapazitiv Äntwert op der Elektrode geschitt ass. Mat der héich reversibel magnetescher Äntwert vum konstante Stroumladungs- an Entladungsprozess (Figure 4c), ass d'Magnetiséierung vun der Elektrode während dem Entladungsprozess vun 1V op 0.01V erofgaang, a wärend dem Ladeprozess erëm eropgaang, wat beweist datt Fe0Of dem Kondensatorähnlechen Uewerfläch Reaktioun ass héich reversibel.

Figur 4 elektrochemesch Eegeschaften an situ Magnéitfeld Charakteriséierung op 0.011 V.(A) Déi zyklesch voltammetresch Curve.(B) de b Wäert gëtt mat der Korrelatioun tëscht dem Peakstroum an dem Scanrate bestëmmt; (c) d'reversibel Ännerung vun der Magnetiséierung relativ zu der Ladungsentladungskurve ënner engem 5 T ugewandte Magnéitfeld.

uewe genannte Fe3O4D'elektrochemesch, strukturell a magnetesch Feature vun den Elektroden weisen datt d'zousätzlech Batteriekapazitéit duerch Fe0 bestëmmt gëtt. D'Spin-polariséiert Kapazitéit ass d'Resultat vun der Spin-polariséierter Ladungsakkumulatioun um Interface a kann eng magnetesch Äntwert wärend der Ladung an der Entladung weisen. grouss Uewerfläch-zu-Volumen-Verhältnisser a realiséieren eng héich Dicht vu Staaten um Fermi-Niveau duerch déi héich lokaliséiert d Orbitaler. Geméiss dem Maier sengem theoretesche Modell vu raimleche Ladungslagerung, proposéieren d'Autoren datt grouss Quantitéiten un Elektronen an de Spin-Splitterbänner vu metallesche Fe Nanopartikel gespäichert kënne ginn, déi an Fe / Li3Creating spin-polariséierter Uewerflächekondensatoren an den O Nanokomposite fonnt kënne ginn ( Bild 4).

Grafik 5Fe/Li2A Schematesch Duerstellung vun der Uewerflächekapazitéit vun den Spin-polariséierten Elektronen am O-Interface.(A) de schemateschen Diagramm vun der Spin-Polariséierungszoustandsdicht vun der Uewerfläch vun de ferromagnetesche Metallpartikelen (virun an no der Entladung), am Géigesaz zu d'Mass Spin Polariséierung vun Eisen; (b) d'Bildung vun der Raumladungsregioun am Uewerflächekondensatormodell vun iwwerlagert Lithium.

Resumé an Ausbléck

TM / Li gouf duerch fortgeschratt in-situ magnetescher Iwwerwaachung ënnersicht. D'Resultater weisen datt souwuel am Fe2O3 / Li Modellzellesystem elektrochemesch reduzéiert Fe Nanopartikele grouss Quantitéite vu spin-polariséiertem Elektronen späichere kënnen, entstinn wéinst exzessiver Zellkapazitéit a wesentlech verännerten Interfacemagnetismus. Experimenter weider validéiert CoO, NiO, a FeF4And Fe2D'Präsenz vun esou Kapazitéit am N Elektroden Material weist d'Existenz vun spin-polariséiert Uewerfläch Kapazitéit vun Metal Nanopartikel an Lithium-Ion Batterien a leet d'Fundament fir d'Applikatioun vun dësem raimlech Ladung Stockage Mechanismus an aneren Iwwergank. Metallverbindungsbaséiert Elektrodenmaterialien.

Literatur Link

Extra Späicherkapazitéit an Iwwergangsmetalloxid Lithium-Ion-Batterien entdeckt duerch in situ Magnetometrie (Naturmaterialien, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

Den Afloss vun Lithium Elektroden wafer Design Formel an Elektroden wafer Mängel op Leeschtung

1. Pole Film Design Fundament Artikel

D'Lithium Batterie Elektrode ass eng Beschichtung besteet aus Partikelen, gläichméisseg op d'Metallflëssegkeet applizéiert. Lithium-Ion Batterie Elektroden Beschichtung kann als Kompositmaterial ugesi ginn, haaptsächlech aus dräi Deeler besteet:

(1) Aktiv Substanz Deelchen;

(2) d'Bestanddeelphase vum konduktiven Agent an dem Agent (Kuelestoff-Klebstoffphase);

(3) Pore, fëllt mat dem Elektrolyt.

D'Volumenverhältnis vun all Phase gëtt ausgedréckt wéi:

Porositéit + lieweg Matière Volume Fraktioun + Kuelestoff Klebstoff Phase Volume Fraktioun = 1

Den Design vum Lithium Batterie Elektroden Design ass ganz wichteg, an elo gëtt d'Basiskenntnisser vum Lithium Batterie Elektroden Design kuerz agefouert.

(1) Theoretesch Kapazitéit vum Elektrodenmaterial D'theoretesch Kapazitéit vum Elektrodenmaterial, dat heescht d'Kapazitéit, déi vun all de Lithiumionen am Material involvéiert ass an der elektrochemescher Reaktioun, säi Wäert gëtt duerch déi folgend Equatioun berechent:

Zum Beispill, d'LiFePO4 D'molar Mass ass 157.756 g / mol, a seng theoretesch Kapazitéit ass:

Dëse berechente Wäert ass nëmmen déi theoretesch Gramm Kapazitéit. Fir d'reversibel Struktur vum Material ze garantéieren, ass den aktuellen Lithium-Ionentfernungskoeffizient manner wéi 1, an déi aktuell Grammkapazitéit vum Material ass:

Tatsächlech Gramm Kapazitéit vum Material = theoretesch Kapazitéit vum Lithium-Ion-Ausschnëttskoeffizient

(2) Batterie Design Kapazitéit an extrem eensäiteg Dicht Batterie Design Kapazitéit kann duerch folgend Formel berechent ginn: Batterie Design Kapazitéit = Beschichtung Uewerfläch Dicht aktiv Material Verhältnis aktiv Material Gramm Kapazitéit Pole Blat Beschichtung Beräich

Ënnert hinnen ass d'Uewerflächendicht vun der Beschichtung e Schlëssel Designparameter. Wann d'Verdichtungsdicht onverännert ass, heescht d'Erhéijung vun der Beschichtungsflächendicht datt d'Polblattdicke eropgeet, d'Elektronentransmissionsdistanz eropgeet, an d'Elektronenresistenz erhéicht, awer d'Erhéijungsgrad ass limitéiert. Am décke Elektrodenplack ass d'Erhéijung vun der Migratiounsimpedanz vu Lithiumionen am Elektrolyt den Haaptgrond, deen d'Verhältnischarakteristike beaflosst. Wann Dir d'Porositéit an d'Pore-Twists berücksichtegt, ass d'Migratiounsdistanz vun den Ionen an der Pore vill Mol méi wéi d'Dicke vun der Poleblatt.

(3) D'Verhältnis vun negativ-positiv Kapazitéit Verhältnis N / P negativ Kapazitéit zu positiv Kapazitéit ass definéiert als:

N / P soll méi grouss wéi 1.0 ginn, allgemeng 1.04 ~ 1.20, déi haaptsächlech am Sécherheet Design ass, fir déi negativ Säit Lithium Ion aus Nidderschlag ouni Akzeptanz Quell ze verhënneren, Design de Prozess Muecht ze betruecht, wéi Beschichtung deviation. Wéi och ëmmer, wann N / P ze grouss ass, verléiert d'Batterie irreversibel Kapazitéit, wat zu enger gerénger Batteriekapazitéit a méi niddereger Batterieenergiedicht resultéiert.

Fir d'Lithium-Titanat-Anode gëtt de positiven Elektroden iwwerschësseg Design ugeholl, an d'Batteriekapazitéit gëtt vun der Kapazitéit vun der Lithium-Titanat-Anode bestëmmt. De positiven Iwwerschossdesign ass förderlech fir d'Héichtemperaturleistung vun der Batterie ze verbesseren: den Héichtemperaturgas kënnt haaptsächlech vun der negativer Elektrode. Am positiven iwwerschësseg Design ass den negativen Potential niddereg, an et ass méi einfach SEI Film op der Uewerfläch vun Lithium titanate ze Form.

(4) Verdichtungsdichte a Porositéit vun der Beschichtung Am Produktiounsprozess gëtt d'Beschichtungsverdichtungsdicht vun der Batterieelektrode mat der folgender Formel berechent. Bedenkt datt wann d'Polplack gewalzt gëtt, d'Metallfolie verlängert gëtt, gëtt d'Uewerflächendicht vun der Beschichtung no der Roller mat der folgender Formel berechent.

Wéi virdru scho gesot, besteet d'Beschichtung aus liewegen Materialphase, Kuelestoff-Klebstoffphase a Pore, an d'Porositéit kann duerch déi folgend Equatioun berechent ginn.

Ënnert hinnen ass d'Duerchschnëttsdicht vun der Beschichtung: Lithium Batterie Elektrode ass eng Aart vu Pulverpartikelen vun der Beschichtung, well d'Pulverpartikel Uewerfläch rau, onregelméisseg Form, wann d'Akkumulation, Partikelen tëscht Partikelen a Partikelen, an e puer Partikelen selwer hunn Rëss a Poren, sou Pudder Volume dorënner Pudder Volumen, d'Poren tëscht de Pudder Deelchen an der Deelchen, dofir, déi entspriechend Varietéit vun Elektroden Beschichtung Dicht an porosity Representatioun. D'Dicht vun de Pudderpartikelen bezitt sech op d'Mass vum Pulver pro Eenheetsvolumen. Geméiss dem Volume vum Pulver ass et an dräi Aarte opgedeelt: richteg Dicht, Partikeldicht an Akkumulatiounsdicht. Déi verschidde Densitéite ginn wéi follegt definéiert:

1. Richteg Dicht bezitt sech op d'Dicht, déi kritt gëtt andeems d'Puddermass duerch de Volume (realt Volumen) deelt, ausser déi intern a baussenzeg Lücken vun de Partikelen. Dat ass, d'Dicht vun der Matière selwer kritt nodeems de Volume vun all Void ausgeschloss ass.
2. Partikeldicht bezitt sech op d'Dicht vun de Partikelen, déi kritt gëtt andeems d'Puddermass gedeelt gëtt duerch de Partikelvolumen abegraff dat oppene Lach an dat zouene Lach. Dat ass, de Spalt tëscht de Partikelen, awer net déi fein Pore bannent de Partikelen, d'Dicht vun de Partikelen selwer.
3. Akkumulatiounsdicht, dat heescht Beschichtungsdicht, bezitt sech op d'Dicht, déi duerch d'Pulvermass kritt gëtt, gedeelt duerch de Volume vun der Beschichtung, déi vum Pulver geformt gëtt. De Volume benotzt enthält d'Pore vun de Partikelen selwer an d'Voiden tëscht de Partikelen.

Fir datselwecht Pudder, richteg Dicht> Partikeldicht> Verpackungsdicht. D'Porositéit vum Pudder ass d'Verhältnis vun de Poren an der Pulverpartikelbeschichtung, dat heescht de Verhältnis vum Volume vum Void tëscht de Pulverpartikelen an de Pore vun de Partikelen zum Gesamtvolumen vun der Beschichtung, wat allgemeng ausgedréckt gëtt. als Prozentsaz. D'Porositéit vum Pudder ass eng ëmfaassend Eegeschafte am Zesummenhang mat der Partikelmorphologie, Uewerflächenzoustand, Partikelgréisst a Partikelgréisstverdeelung. Seng Porositéit beaflosst direkt d'Infiltratioun vun Elektrolyt a Lithiumioniwwerdroung. Am Allgemengen, wat méi grouss d'Porositéit ass, dest méi einfach ass d'Elektrolytinfiltratioun, an dest méi séier d'Lithium-Ioniwwerdroung. Dofir, am Design vun Lithium Batterie, heiansdo d'porosity ze bestëmmen, allgemeng benotzt Quecksëlwer Drock Method, Gas adsorption Method, etc.. Kann och mat der Dicht Berechnung kritt ginn. D'Porositéit kann och verschidden Implikatiounen hunn wann Dir verschidde Dichte fir d'Berechnungen benotzt. Wann d'Dicht vun der Porositéit vun der lieweger Substanz, dem konduktiven Agent an dem Bindemëttel duerch déi richteg Dicht berechent gëtt, enthält déi berechent Porositéit de Spalt tëscht de Partikelen an de Spalt an de Partikelen. Wann d'Porositéit vun der lieweger Substanz, dem konduktiven Agent a vum Bindemëttel duerch d'Partikeldicht berechent gëtt, enthält déi berechent Porositéit de Spalt tëscht de Partikelen, awer net d'Lück an de Partikelen. Dofir ass d'Poregréisst vun der Lithium Batterie Elektroden Blat och Multi-Skala, allgemeng ass d'Lück tëscht de Partikelen an der Mikron Skala Gréisst, während d'Lück an de Partikelen an der Nanometer bis Sub-Submikron Skala ass. Bei porösen Elektroden kann d'Relatioun vun Transporteigenschaften wéi effektiv Diffusivitéit a Konduktivitéit duerch déi folgend Equatioun ausgedréckt ginn:

Wou D0 d'intrinsesch Diffusioun (Leedung) Taux vum Material selwer duerstellt, ass ε de Volumenfraktioun vun der entspriechender Phase, an τ ass d'circumous Krümmung vun der entspriechender Phase. Am makroskopesche homogene Modell gëtt d'Bruggeman-Relatioun allgemeng benotzt, andeems de Koeffizient ɑ =1.5 hëlt fir déi effektiv Positivitéit vun de porösen Elektroden ze schätzen.

Den Elektrolyt gëtt an de Poren vun de porösen Elektroden gefëllt, an deenen d'Lithiumionen duerch den Elektrolyt gefouert ginn, an d'Leedungseigenschaften vun de Lithiumionen sinn enk mat der Porositéit verbonnen. Wat méi grouss d'Porositéit ass, dest méi héich ass de Volumefraktioun vun der Elektrolytphase, an wat méi grouss ass d'effektiv Konduktivitéit vu Lithiumionen. An der positiver Elektrodenplack ginn d'Elektronen duerch d'Kuelestoff-Klebstoffphase iwwerdroen, d'Volumenfraktioun vun der Kuelestoff-Klebstoffphase an den Ëmwee vun der Kuelestoff-Klebphase bestëmmen direkt déi effektiv Konduktivitéit vun Elektronen.

D'Porositéit an d'Volumenfraktioun vun der Kuelestoff-Klebstoffphase sinn widderspréchlech, an déi grouss Porositéit féiert zwangsleefeg zur Volumenfraktioun vun der Kuelestoff-Klebstoffphase, dofir sinn déi effektiv Leitungseigenschaften vu Lithium-Ionen an Elektronen och widderspréchlech, wéi an der Figur 2 gewisen. Wéi d'Porositéit erofgeet, hëlt d'Lithium-Ion-effektiv Konduktivitéit erof, während d'Elektron-effektiv Konduktivitéit eropgeet. Wéi déi zwee ze balanséieren ass och kritesch am Elektrodendesign.

Figur 2 Schematesch Diagramm vu Porositéit a Lithiumion an Elektronenleitung

2. Typ an Detektioun vu Poldefekter

 

Am Moment, am Prozess vun der Batterie Pole Virbereedung, ginn ëmmer méi Online Detektiounstechnologien ugeholl, fir d'Fabrikatiounsdefekte vu Produkter effektiv z'identifizéieren, defekt Produkter ze eliminéieren, a rechtzäiteg Feedback op d'Produktiounslinn, automatesch oder manuell Upassunge vun der Produktioun Prozess, fir de defekten Taux ze reduzéieren.

D'On-Line Detektiounstechnologien déi allgemeng an der Pole Blat Fabrikatioun benotzt ginn, enthalen d'Slurry charakteristesch Detektioun, d'Pole Blat Qualitéitserkennung, d'Dimensiounserkennung an sou weider, Zum Beispill: (1) den Online Viskositéitsmeter ass direkt am Beschichtungspäichertank installéiert fir d'rheologesch z'entdecken. Charakteristiken vun der Schleimhaut an Echtzäit, Test d'Stabilitéit vun der Schleimhaut; (2) Benotzt Röntgen oder β -Ray am Beschichtungsprozess, Seng héich Miessgenauegkeet, Awer grouss Stralung, héije Präis vun Ausrüstung an Ënnerhaltsproblemer; (3) Laser Online Dickemiessungstechnologie gëtt applizéiert fir d'Dicke vum Polplack ze moossen, D'Messgenauegkeet kann ± 1. 0 μ m erreechen, Et kann och de Changement Trend vun der gemoossene Dicke an der Dicke an Echtzäit weisen, Erliichtert Daten Tracabilitéit an Analyse; (4) CCD Visioun Technologie, Dat heescht, d'Linn Array CCD gëtt benotzt fir de gemoossene Objet ze scannen, Echtzäit Bildveraarbechtung an Analyse vun Defektkategorien, Realiséiere vun der net-zerstéierender Online-Detektioun vun de Polplack-Uewerflächdefekter.

Als Tool fir Qualitéitskontroll ass Online Testtechnologie och essentiell fir d'Korrelatioun tëscht Mängel a Batterieleistung ze verstoen, fir déi qualifizéiert / onqualifizéiert Critèrë fir halleffäerdeg Produkter ze bestëmmen.

Am leschten Deel, déi nei Method vun Surface Defekt Detectioun Technologie vun Lithium-Ion Batterie, Infrarout thermesch Imaging Technologie an d'Relatioun tëscht dëse verschiddene Mängel an elektrochemical Leeschtung sinn kuerz agefouert.consult D. Mohanty Eng grëndlech Etude vun Mohanty et al.

(1) Gemeinsam Mängel op der Pole Blat Uewerfläch

Figur 3 weist déi gemeinsam Mängel op der Uewerfläch vun der Lithium-Ion Batterie Elektrode, mat der opteschen Bild op der lénkser Säit an d'Bild vun der thermesch Imager op der rietser ageholl.

Figur 3 Gemeinsam Mängel op der Uewerfläch vun der Pole Blat: (a, b) bulge Enveloppe / aggregéiert; (c, d) Drop Material / Pinhole; (e, f) Metall auslännesch Kierper; (g, h) ongläiche Beschichtung

 

(A, b) opgehuewe Bulge / Aggregat, sou Mängel kënnen optrieden wann d'Schläim gläichméisseg geréiert gëtt oder d'Beschichtungsgeschwindegkeet onbestänneg ass. D'Gregatioun vu Klebstoff a Kueleschwarzleitungsmëttel féiert zu engem nidderegen Inhalt vun aktive Zutaten a liicht Gewiicht vu polare Pëllen.

 

(c, d) drop / pinhole, dës defekt Beräicher sinn net Beschichtete a ginn normalerweis duerch Bubbles am Schlamm produzéiert. Si reduzéieren d'Quantitéit vum aktive Material an setzen de Sammler dem Elektrolyt aus, sou datt d'elektrochemesch Kapazitéit reduzéiert gëtt.

 

(E, f) Metall auslännesch Kierper, slurry oder Metal auslännesch Kierper an der Ausrüstung an Ëmwelt agefouert, an Metal auslännesch Kierper kann grouss Schued un Lithium Akkuen Ursaach. Grouss Metallpartikelen imparéieren direkt d'Membran, wat zu enger Kuerzschluss tëscht de positiven an negativen Elektroden resultéiert, wat eng kierperlech Kuerzschluss ass. Zousätzlech, wann d'Metallauslännerkierper an d'positiv Elektrode gemëscht gëtt, erhéicht de positiven Potenzial no der Ladung, d'Metall léist sech, verbreet sech duerch den Elektrolyt, an dann op déi negativ Uewerfläch ausfällt, a schliisslech d'Membran punkéiert, e Kuerzschluss bilden, dat ass eng chemesch Opléisung Kuerzschluss. Déi meescht üblech Metall auslännesch Kierper an der Batteriefabrik sinn Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS, etc.

 

(g, h) ongläiche Beschichtung, sou wéi d'Schlämmermëschung ass net genuch, d'Partikelfeinheet ass einfach Sträifen ze gesinn wann de Partikel grouss ass, wat zu ongläiche Beschichtung resultéiert, wat d'Konsistenz vun der Batteriekapazitéit beaflosst, a souguer komplett erschéngt keng Beschichtungsstreif, huet en Impakt op d'Kapazitéit a Sécherheet.

(2) Pole Chip Surface Defekt Detektiounstechnologie Infrarout (IR) thermesch Imaging Technologie gëtt benotzt fir kleng Mängel op dréchen Elektroden z'entdecken, déi d'Leeschtung vu Lithium-Ion Batterien beschiedegen. Wärend der Onlineerkennung, wann d'Elektrodendefekt oder d'Verschmotzung festgestallt gëtt, markéiert et op der Poleblatt, eliminéiert et am spéideren Prozess, a schéckt se op d'Produktiounslinn zréck, a passt de Prozess an der Zäit un fir d'Mängel ze eliminéieren. Infraroutstrahl ass eng Zort elektromagnetesch Welle déi déiselwecht Natur huet wéi Radiowellen a siichtbar Liicht. E speziellen elektroneschen Apparat gëtt benotzt fir d'Temperaturverdeelung vun der Uewerfläch vun engem Objet an e siichtbar Bild vum mënschlechen Auge ëmzewandelen, a fir d'Temperaturverdeelung vun der Uewerfläch vun engem Objet a verschiddene Faarwen ze weisen gëtt Infraroutthermesch Imaging Technologie genannt. Dësen elektroneschen Apparat gëtt Infraroutthermesch Imager genannt. All Objeten iwwer absolut Null (-273 ℃) strahlen Infraroutstrahlung aus.
Wéi an der Figur 4 gewisen, benotzt den Infrarout thermesche Approximator (IR Camera) den Infraroutdetektor an den opteschen Imaging Objektiv fir d'Infraroutstrahlungsenergieverdeelungsmuster vum gemoossene Zilobjekt ze akzeptéieren an et op dat fotosensibel Element vum Infraroutdetektor ze reflektéieren Infrarout thermesch Bild, wat dem thermesche Verdeelungsfeld op der Uewerfläch vum Objet entsprécht. Wann et e Defekt op der Uewerfläch vun engem Objet ass, verännert d'Temperatur an der Géigend. Dofir kann dës Technologie och benotzt ginn fir d'Mängel op der Uewerfläch vum Objet z'entdecken, besonnesch gëeegent fir e puer Mängel déi net duerch optesch Detektiounsmëttelen z'ënnerscheeden. Wann d'Trocknungselektrode vun der Lithium-Ionbatterie online erkannt gëtt, gëtt d'Elektrodeelektrode fir d'éischt vum Blitz bestrahlt, d'Uewerflächentemperatur ännert sech, an dann gëtt d'Uewerflächentemperatur mat engem Wärmebildkamera festgestallt. D'Hëtztverdeelungsbild gëtt visualiséiert, an d'Bild gëtt an Echtzäit veraarbecht an analyséiert fir d'Uewerflächefehler z'entdecken an se an der Zäit ze markéieren.D. Mohanty D'Etude installéiert engem thermesch Imager um Outlet vun der coater drëschenen Uewen der Temperatur Verdeelung Bild vun der Elektroden Blat Uewerfläch z'entdecken.

Figur 5 (a) ass eng Temperatur Verdeelung Kaart vun der Beschichtung Uewerfläch vun der NMC positiv Pole Blat vun der thermesch Imager entdeckt, déi e ganz klengen Defekt enthält, datt net mat bloussem A z'ënnerscheeden kann. D'Temperaturverdeelungskurve entsprécht dem Strecksegment gëtt am internen Inset gewisen, mat enger Temperaturspike am Defektpunkt. An der Figur 5 (b) erhéicht d'Temperatur lokal an der entspriechender Këscht, entspriechend dem Defekt vun der Poleblattfläch. FIG. 6 ass e Diagramm vun der Uewerflächentemperaturverdeelung vun der negativer Elektrodenplack, déi d'Existenz vu Mängel weist, wou den Héichpunkt vun der Temperaturerhéijung der Bubble oder dem Aggregat entsprécht, an d'Temperaturreduktioun entsprécht dem Pinhole oder Drop.

Figur 5 Temperatur Verdeelung vun der positiv Elektroden Blat Uewerfläch

Figur 6 Temperatur Verdeelung vun negativ Elektroden Uewerfläch

 

Et kann gesi ginn, datt d'thermesch Imaging Detektioun vun Temperatur Verdeelung e gudde Mëttel vun Pole Blat Uewerfläch Defekt Detektioun ass, déi fir d'Qualitéitskontroll vun Pole Blat Manufacturing.3 benotzt ginn. Effekt vun Pole Blat Uewerfläch Mängel op Batterie Leeschtung

 

(1) Impakt op Batterie Multiplikator Kapazitéit a Coulomb Effizienz

Figur 7 weist den Aflosskurve vum Aggregat a Pinhole op der Batteriemultiplikatorkapazitéit an der Coulen Effizienz. D'Aggregatioun kann tatsächlech d'Batteriekapazitéit verbesseren, awer d'Coulen Effizienz reduzéieren. D'Pinhole reduzéiert d'Batteriekapazitéit an d'Kulun-Effizienz, an d'Kulun-Effizienz reduzéiert vill bei héijen Taux.

Figur 7 cathode aggregéiert an pinhole Effekt op d'Batterie Muecht an d'Effizienz vun Figur 8 ass ongläiche Beschichtung, a Metal auslännesch Kierper Co an Al op der Batterie Muecht an den Effet vun der Effizienz Kéier, ongläiche Beschichtung reduzéieren Batterie Eenheet Mass Muecht 10% - 20%, awer déi ganz Batteriekapazitéit ass ëm 60% erofgaang, dëst weist datt d'Liewensmasse am Polarstéck wesentlech reduzéiert gouf. Metal Co auslännesch Kierper reduzéiert Kapazitéit a Coulomb Effizienz, och an 2C an 5C héich Vergréisserung, keng Kapazitéit bei all, déi wéinst der Formatioun vun Metal Co an der electrochemical Reaktioun vun Lithium a Lithium agebonne kann, oder et kann d'Metal Deelchen ginn. blockéiert d'Membranpore verursaacht Mikrokuerzschluss.

Figur 8 Effekter vun positiv Elektroden ongläiche Beschichtung a Metal auslännesch Kierper Co an Al op Batterie multiplier Muecht an Coulen Effizienz

Resumé vun Cathode Blat Mängel: D'Aen an der cathode Blat Beschichtung reduzéiert der Coulomb Effizienz vun der Batterie. D'Pinhole vun der positiver Beschichtung reduzéiert d'Coulomb Effizienz, wat zu enger schlechter Multiplikatorleistung resultéiert, besonnesch bei héijer Stroumdicht. Déi heterogen Beschichtung huet eng schlecht Vergréisserungsleistung gewisen. Metallpartikelverschmotzung kënne Mikro-Kuerzkreesser verursaachen, an dofir kënnen d'Batteriekapazitéit staark reduzéieren.
Figur 9 weist den Impakt vun der negativ Auslafe Folie Sträif op der Multiplikatorkapazitéit an Kulun Effizienz vun der Batterie. Wann d'Leckage op der negativer Elektrode geschitt, gëtt d'Kapazitéit vun der Batterie wesentlech reduzéiert, awer d'Grammkapazitéit ass net offensichtlech, an den Impakt op d'Kulun Effizienz ass net bedeitend.

 

Figur 9 Afloss vun negativ Elektroden Auslafe Folie Sträif op Batterie multiplikatorkapasitet an Kulun Effizienz (2) Afloss op Batterie multiplier Zyklus Leeschtung Figur 10 ass d'Resultat vum Afloss vun der Elektroden Uewerfläch Mängel op Batterie multiplier Zyklus. D'Resultater vun der Afloss sinn wéi follegt zesummegefaasst:
Egregatioun: bei 2C ass d'Kapazitéithaltungsquote vun 200 Zyklen 70% an déi defekt Batterie ass 12%, wärend am 5C Zyklus ass d'Kapazitéithaltungsquote vun 200 Zyklen 50% an déi defekt Batterie ass 14%.
Needlehole: d'Kapazitéit Dämpfung ass offensichtlech, awer keng aggregéiert Defekt Dämpfung ass séier, an d'Kapazitéit Ënnerhalt Taux vun 200 Zyklen 2C an 5C sinn 47% an 40%, respektiv.
Metal auslännesch Kierper: d'Kapazitéit vun Metal Co Friem Kierper ass bal 0 no e puer Zyklen, an der 5C Zyklus Kapazitéit vun Metal auslännesch Kierper Al Folie reduzéiert bedeitend.
Leckstreifen: Fir datselwecht Leckgebitt fällt d'Batteriekapazitéit vu méi klenge Sträifen méi séier erof wéi e méi grousse Sträif (47% fir 200 Zyklen an 5C) (7% fir 200 Zyklen an 5C). Dëst weist datt d'Zuel vun de Sträifen méi grouss ass, wat den Impakt op den Batteriezyklus méi grouss ass.

Figur 10 Effet vun Elektroden Blat Uewerfläch Mängel op Zell Taux Zyklus

 

Ref.: [1] Non-destructive evaluation of slot-die-coated lithium secondary batteryelectrodes by in-line laser caliper and IR thermography methods [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Effekt vun Elektroden Fabrikatiounsdefekter op elektrochemesch Leeschtung vun Lithium-Ion Batterien: Bewosstsinn vun der Batterie Feeler Quellen[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.