Sirri açmaq: Litium-ion batareyalarında super nəzəri tutum

Niyə litium batareyanın super nəzəri tutum fenomeni mövcuddur

Litium-ion batareyalarında (LIB) bir çox keçid metal oksid əsaslı elektrodlar nəzəri dəyərlərindən kənarda qeyri-adi yüksək saxlama qabiliyyəti nümayiş etdirirlər. Bu fenomen haqqında geniş məlumat verilsə də, bu materiallardakı əsas fiziki-kimyəvi mexanizmlər hələ də anlaşılmaz olaraq qalır və mübahisə mövzusu olaraq qalır.

Nəticələrin profili

Bu yaxınlarda Kanadanın Waterloo Universitetindən professor Miao Quoxing, Ostindəki Texas Universitetindən professor Yu Quihua və Qingdao Universitetindən Li Hongsen və Li Qiang birgə “Təbiət materialları haqqında” “Əlavə saxlama qabiliyyəti keçid metal oksidi litium-ion batareyaları in situ maqnitometriya ilə aşkar edilmişdir". Bu işdə müəlliflər metal nanohissəciklərdə güclü səth tutumunun mövcudluğunu nümayiş etdirmək üçün in situ maqnit monitorinqindən istifadə ediblər və çoxlu sayda spin-qütbləşmiş elektronlar artıq azaldılmış metal nanohissəciklərdə saxlanıla bilər ki, bu da məkan yükü mexanizminə uyğundur. Bundan əlavə, aşkar edilmiş məkan yükü mexanizmi qabaqcıl enerji saxlama sistemlərinin yaradılması üçün əsas təlimat verən digər keçid metal birləşmələrinə də genişləndirilə bilər.

Tədqiqat məqamları

(1) Tipik bir Fe in-situ maqnit monitorinqi texnikasından istifadə etməklə tədqiq edilmişdir3O4/ Li batareyasının daxilindəki elektron strukturun təkamülü;

(2) aşkar edir ki, Fe3O4 / Li sistemində yerüstü yükləmə qabiliyyəti əlavə tutumun əsas mənbəyidir;

(3) Metal nanohissəciklərin səthi tutum mexanizmi geniş keçid metal birləşmələrinə qədər genişləndirilə bilər.

Mətn və mətn təlimatı

1. Struktur xarakteristikası və elektrokimyəvi xassələri

Monodispers içi boş Fe adi hidrotermal üsullarla3O4Nanosferlərlə sintez edilmiş və sonra 100 mAg−1Cərəyan sıxlığında doldurulma və boşalma (Şəkil 1a), birinci boşalma qabiliyyəti müvafiq olaraq 1718 mAh g−1, üçüncü dəfə 1370 mAhg-dir. 1Və 1,364 mAhg−1, Çox 926 mAhg−1Gözləntilər nəzəriyyəsi. Tam boşaldılmış məhsulun BF-STEM şəkilləri (Şəkil 1b-c) göstərir ki, litiumun azaldılmasından sonra Fe3O4 nanosferlər Li1O mərkəzində səpələnmiş, təxminən 3 – 2 nm ölçülü daha kiçik Fe nanohissəciklərinə çevrilib.

Elektrokimyəvi dövr ərzində maqnitlənmənin dəyişməsini nümayiş etdirmək üçün nanohissəciklərin əmələ gəlməsi ilə əlaqədar superparamaqnit davranışı göstərən 0.01 V-a qədər tam boşalmadan sonra maqnitləşmə əyrisi alınmışdır (Şəkil 1d).

Şəkil 1 (a) 100 mAg−1Fe-də cərəyan sıxlığında3O4/ Li batareyasının sabit cərəyan doldurma və boşalma əyrisi; (b) tam litium Fe3O4 Elektrodun BF-STEM şəkli; (c) həm O, həm də Fe-nin 2Yüksək ayırdetməli BF-STEM təsvirlərində Li-nin olması; (d) Fe3O4 Elektroddan əvvəl (qara) və sonra (mavi) histerezis əyriləri və sonuncunun Lanqevinin uyğun əyrisi (bənövşəyi).

2. Struktur və maqnit təkamülün real vaxt rejimində aşkarlanması

Elektrokimyanı Fe3O4Of struktur və maqnit dəyişiklikləri ilə birləşdirmək üçün Fe3O4 ilə əlaqəli elektrodlar in situ rentgen difraksiyasına (XRD) və yerində maqnit monitorinqinə məruz qalmışdır. Açıq dövrə gərginliyindən (OCV) 1.2V3O4-ə qədər ilkin boşalma zamanı bir sıra XRD difraksiya nümunələrində Fe Difraksiya zirvələri nə intensivlikdə, nə də mövqedə əhəmiyyətli dərəcədə dəyişmədi (Şəkil 2a, bu da Fe3O4-nin Yalnız Li interkalasiya prosesini yaşadığını göstərir. 3V ilə doldurulduqda, Fe3O4The anti-spinel strukturu toxunulmaz qalır və bu gərginlik pəncərəsindəki prosesin yüksək dərəcədə geri çevrildiyini göstərir. Maqnitləşmənin real vaxtda necə inkişaf etdiyini araşdırmaq üçün daimi cərəyan doldurma-boşaltma testləri ilə birlikdə əlavə in-situ maqnit monitorinqi aparıldı (Şəkil 2b).

Şəkil 2 In-situ XRD və maqnit monitorinqinin xarakteristikası.(A) in situ XRD; (b) Fe3O4 3 T tətbiq olunan maqnit sahəsi altında elektrokimyəvi yük-boşaltma əyrisi və müvafiq geri dönən in situ maqnit reaksiyası.

Bu çevrilmə prosesini maqnitləşmə dəyişiklikləri baxımından daha əsaslı şəkildə başa düşmək üçün maqnit reaksiyası real vaxtda toplanır və elektrokimyəvi reaksiyalarla müşayiət olunan müvafiq faza keçidi (Şəkil 3). Tamamilə aydındır ki, ilk boşalma zamanı Fe3O4 Elektrodların maqnitləşmə reaksiyası ilk litalizasiya zamanı Fe ilə əlaqədar digər dövrlərdən fərqlənir3O4 Geri dönməz faza keçidi baş verdiyinə görə. Potensial 0.78V-ə düşəndə, Fe3O4Antispinel fazası Li2-yə çevrildi, O, Fe3O4 sinifinin FeO halit strukturu Li0.482 ehtiva edir. Faza doldurulduqdan sonra bərpa edilə bilməz. Müvafiq olaraq, maqnitləşmə sürətlə 1 μ b Fe−200-ə düşür. Litiallaşma davam etdikcə yeni faza əmələ gəlmədi və (220) və (3) sinif FeO difraksiya piklərinin intensivliyi zəifləməyə başladı. bərabər Fe4O3 Elektrod tamamilə liiallaşdırıldıqda əhəmiyyətli XRD zirvəsi saxlanmır (Şəkil 3a). Qeyd edək ki, Fe4O0.78 elektrodu 0.45V-dən 0.482V-ə qədər boşaldıqda, maqnitləşmə (1 μ b Fe−1.266-dən 1 μ bFe−1.132-ə yüksəldi), bu, FeO-dan Fe-yə çevrilmə reaksiyasına aid edilir. Sonra, boşalmanın sonunda maqnitləşmə yavaş-yavaş 1 μ B Fe−0-ə qədər azaldı. Bu tapıntı onu göstərir ki, tamamilə azaldılmış metal FeXNUMXNanohissəcikləri hələ də litium saxlama reaksiyasında iştirak edə bilər və beləliklə elektrodların maqnitləşməsini azaldır.

Şəkil 3 Faza keçidinin və maqnit reaksiyasının yerində müşahidələri.（a）Fe3O4 Elektrodun ilk boşalması zamanı toplanmış in situ XRD xəritəsi; (b) Fe3O4 3 T tətbiq olunan maqnit sahəsində / Li hüceyrələrinin elektrokimyəvi dövrlərinin yerində maqnit qüvvəsinin ölçülməsi.

3. Fe0/Li2O sisteminin səthi tutumu

Fe3O4 Elektrodların maqnit dəyişiklikləri aşağı gərginliklərdə baş verir və bu zaman çox güman ki, əlavə elektrokimyəvi tutum yaranır ki, bu da hüceyrə daxilində aşkar edilməmiş yük daşıyıcılarının olduğunu göstərir. Potensial litium saxlama mexanizmini araşdırmaq üçün Fe maqnit dəyişikliyinin mənbəyini müəyyən etmək üçün XPS, STEM və maqnit performans spektri3O4 elektrodları vasitəsilə maqnitləşmə zirvələrinin 0.01V, 0.45V və 1.4V elektrodları vasitəsilə tədqiq edilmişdir. Nəticələr göstərir ki, maqnit momenti maqnit dəyişikliyinə təsir edən əsas amildir, çünki O sisteminin ölçülən Fe0/Li2Ms maqnit anizotropiyasından və hissəciklərarası birləşmədən təsirlənmir.

Aşağı gərginlikdə elektrodların Fe3O4 kinetik xassələrini daha da başa düşmək üçün, müxtəlif tarama sürətlərində siklik voltametriya. Şəkil 4a-da göstərildiyi kimi, düzbucaqlı tsiklik voltammoqram əyrisi 0.01V və 1V arasındakı gərginlik diapazonunda görünür (Şəkil 4a). Şəkil 4b, elektrodda Fe3O4A tutumlu reaksiyanın meydana gəldiyini göstərir. Sabit cərəyanın yüklənməsi və boşaldılması prosesinin yüksək tərsinə çevrilən maqnit reaksiyası ilə (Şəkil 4c) boşalma prosesi zamanı elektrodun maqnitləşməsi 1V-dən 0.01V-ə qədər azaldı və doldurulma prosesində yenidən artdı, bu da Fe0Of kondansatör kimi olduğunu göstərir. səth reaksiyası çox geri çevrilir.

Şəkil 4 elektrokimyəvi xassələri və 0.011 V-də yerində maqnit xarakteristikası.(A) Dövrlü voltametrik əyri.(B) b dəyəri pik cərəyan və tarama sürəti arasındakı korrelyasiyadan istifadə etməklə müəyyən edilir; (c) 5 T tətbiq olunan maqnit sahəsi altında yük-boşaltma əyrisinə nisbətən maqnitləşmənin tərs dəyişməsi.

yuxarıda qeyd olunan Fe3O4 Elektrodların elektrokimyəvi, struktur və maqnit xüsusiyyətləri əlavə batareya tutumunun Fe0 ilə müəyyən edildiyini göstərir. Nanohissəciklərin spin-polyarlaşmış səth tutumu müşayiət olunan maqnit dəyişiklikləri nəticəsində yaranır. Spin-qütblü tutum interfeysdə spin-polyarlaşdırılmış yük yığılmasının nəticəsidir və yüklənmə və boşalma zamanı Fe3O4-ə maqnit reaksiyası göstərə bilər. Baza elektrod, ilk boşalma prosesi zamanı O substratında Li2Fine Fe nanohissəciklərində səpələnmişdir. böyük səth-həcm nisbətləri və yüksək lokallaşdırılmış d orbitalları sayəsində Fermi səviyyəsində yüksək vəziyyət sıxlığını həyata keçirir. Maier-in fəza yükünün saxlanmasının nəzəri modelinə görə, müəlliflər təklif edirlər ki, böyük miqdarda elektronlar Fe / Li2-də tapıla bilən metal Fe nanohissəciklərinin spin-parçalanma zolaqlarında saxlanıla bilər, O nanokompozitlərində spin-polyarlaşmış səth kondansatörlərinin yaradılması ( Şəkil 5).

qrafik 5Fe/Li2A O-interfeysdə spin-qütbləşmiş elektronların səthi tutumunun sxematik təsviri.(A) ferromaqnit metal hissəciklərinin səthinin spin qütbləşmə vəziyyətinin sıxlığının sxematik diaqramı (boşalmadan əvvəl və sonra), əksinə dəmirin kütləvi spin polarizasiyası; (b) həddən artıq yığılmış litiumun səthi kondansatör modelində kosmik yük bölgəsinin formalaşması.

Xülasə və Outlook

TM / Li qabaqcıl in-situ maqnit monitorinqi ilə araşdırıldı2 Bu litium-ion batareyası üçün əlavə saxlama qabiliyyətinin mənbəyini aşkar etmək üçün O nanokompozitinin daxili elektron strukturunun təkamülü. Nəticələr göstərir ki, həm Fe3O4/Li model hüceyrə sistemində elektrokimyəvi cəhətdən azaldılmış Fe nanohissəcikləri həddindən artıq hüceyrə tutumu və əhəmiyyətli dərəcədə dəyişmiş faza maqnitizmi səbəbindən çoxlu spin-polyarlaşdırılmış elektronları saxlaya bilir. Təcrübələr daha da təsdiqlənmiş CoO, NiO və FeF2Və Fe2 N elektrod materialında belə bir tutumun olması litium-ion batareyalarında metal nanohissəciklərin spin-polyarlaşmış səth tutumunun mövcudluğunu göstərir və bu fəza yükünün saxlanması mexanizminin digər keçidlərdə tətbiqi üçün əsas qoyur. metal birləşmə əsaslı elektrod materialları.

Ədəbiyyat linki

Yerində maqnitometriya ilə aşkar edilən keçid metal oksidi litium-ion batareyalarında əlavə saxlama qabiliyyəti (Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

Litium elektrod vafli dizayn formulunun və elektrod vafli qüsurlarının performansa təsiri

1. Qütb filmi dizaynının təməl məqaləsi

Litium batareya elektrodu metal mayeyə bərabər şəkildə tətbiq olunan hissəciklərdən ibarət bir örtükdür. Litium-ion batareya elektrod örtüyü əsasən üç hissədən ibarət kompozit material kimi qəbul edilə bilər:

(1) Aktiv maddə hissəcikləri;

(2) keçirici maddənin və agentin tərkib fazası (karbon yapışqan mərhələsi);

(3) Məsamə, elektrolitlə doldurun.

Hər bir fazanın həcm əlaqəsi aşağıdakı kimi ifadə edilir:

Məsaməlik + canlı maddənin həcm hissəsi + karbon yapışqan fazanın həcm hissəsi =1

Litium batareya elektrod dizaynının dizaynı çox vacibdir və indi litium batareya elektrod dizaynının əsas bilikləri qısaca təqdim olunur.

(1) Elektrod materialının nəzəri tutumu Elektrod materialının nəzəri tutumu, yəni elektrokimyəvi reaksiyada iştirak edən materialdakı bütün litium ionları tərəfindən təmin edilən tutum, onun dəyəri aşağıdakı tənliklə hesablanır:

Məsələn, LiFePO4Molar kütləsi 157.756 q/mol və onun nəzəri tutumu:

Bu hesablanmış dəyər yalnız nəzəri qram tutumudur. Materialın geri dönən strukturunu təmin etmək üçün faktiki litium ionlarının çıxarılması əmsalı 1-dən azdır və materialın faktiki qram tutumu:

Materialın faktiki qram tutumu = litium-ion ayırma əmsalının nəzəri tutumu

(2) Akkumulyatorun dizayn gücü və son dərəcə birtərəfli sıxlıq Batareyanın dizayn gücü aşağıdakı düsturla hesablana bilər: batareyanın dizayn gücü = örtük səthinin sıxlığı aktiv material nisbəti aktiv materialın qram tutumu dirək təbəqəsi örtük sahəsi

Onların arasında örtüyün səthinin sıxlığı əsas dizayn parametridir. Sıxılma sıxlığı dəyişməz olduqda, örtük səthinin sıxlığının artması dirək təbəqəsinin qalınlığının artması, elektron ötürmə məsafəsinin artması və elektron müqavimətinin artması deməkdir, lakin artım dərəcəsi məhduddur. Qalın elektrod təbəqəsində elektrolitdəki litium ionlarının miqrasiya empedansının artması nisbət xüsusiyyətlərinə təsir edən əsas səbəbdir. Məsaməlik və məsamə qıvrımlarını nəzərə alsaq, məsamədəki ionların miqrasiya məsafəsi dirək təbəqəsinin qalınlığından dəfələrlə çoxdur.

(3) Mənfi-müsbət tutum nisbətinin N / P mənfi tutumunun müsbət tutuma nisbəti aşağıdakı kimi müəyyən edilir:

N / P 1.0-dan çox olmalıdır, ümumiyyətlə 1.04 ~ 1.20, əsasən təhlükəsizlik dizaynında, mənfi tərəfi litium ionunun qəbul mənbəyi olmadan yağışdan qorunmaq üçün, örtük sapması kimi proses qabiliyyətini nəzərə almaq üçün dizayn. Bununla belə, N / P çox böyük olduqda, batareya geri dönməz tutumunu itirəcək, nəticədə aşağı batareya tutumu və batareyanın enerji sıxlığı azalacaq.

Litium titanat anodu üçün müsbət elektrod artıq dizaynı qəbul edilir və batareyanın tutumu litium titanat anodunun tutumu ilə müəyyən edilir. Müsbət artıq dizayn batareyanın yüksək temperatur performansını yaxşılaşdırmaq üçün əlverişlidir: yüksək temperaturlu qaz əsasən mənfi elektroddan gəlir. Müsbət artıq dizaynda mənfi potensial aşağıdır və litium titanatın səthində SEI filmi yaratmaq daha asandır.

(4) Sıxlaşmanın sıxlığı və örtüyün məsaməliliyi İstehsal prosesində akkumulyator elektrodunun örtüyün sıxılma sıxlığı aşağıdakı düsturla hesablanır. Nəzərə alsaq ki, dirək təbəqəsi yuvarlandıqda, metal folqa uzadılır, rulondan sonra örtüyün səthi sıxlığı aşağıdakı düsturla hesablanır.

Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, örtük canlı material fazasından, karbon yapışqan fazasından və məsamələrdən ibarətdir və məsaməliliyi aşağıdakı tənliklə hesablamaq olar.

Onların arasında örtükün orta sıxlığı belədir: litium batareya elektrodu bir növ örtük toz hissəcikləridir, çünki toz hissəciklərinin səthi kobud, nizamsız formada, yığıldıqda hissəciklər və hissəciklər arasında hissəciklər və bəzi hissəciklərin özündə çatlar və məsamələr var, belə ki, toz həcmi, o cümlədən toz həcmi, toz hissəcikləri və hissəciklər arasındakı məsamələr, buna görə də elektrod örtüyünün sıxlığı və məsaməlik təmsilinin müvafiq müxtəlifliyi. Toz hissəciklərinin sıxlığı tozun vahid həcmə düşən kütləsinə aiddir. Tozun həcminə görə üç növə bölünür: həqiqi sıxlıq, hissəcik sıxlığı və yığılma sıxlığı. Müxtəlif sıxlıqlar aşağıdakı kimi müəyyən edilir:

1. Həqiqi sıxlıq toz kütləsinin hissəciklərin daxili və xarici boşluqları istisna olmaqla, həcmə (real həcmə) bölünməsi nəticəsində əldə edilən sıxlığa aiddir. Yəni, bütün boşluqların həcmi xaric edildikdən sonra əldə edilən maddənin sıxlığı.
2. Hissəciklərin sıxlığı toz kütləsinin açıq çuxur və qapalı çuxur daxil olmaqla hissəciklərin həcminə bölünməsi nəticəsində əldə edilən hissəciklərin sıxlığına aiddir. Yəni hissəciklər arasındakı boşluq, ancaq hissəciklərin içərisindəki incə məsamələr, hissəciklərin özlərinin sıxlığı.
3. Yığım sıxlığı, yəni örtük sıxlığı, toz kütləsinin əldə etdiyi sıxlığın tozun əmələ gətirdiyi örtüyün həcminə bölünməsi deməkdir. İstifadə olunan həcmə hissəciklərin öz məsamələri və hissəciklər arasındakı boşluqlar daxildir.

Eyni toz üçün həqiqi sıxlıq> hissəcik sıxlığı> qablaşdırma sıxlığı. Tozun məsaməliliyi toz hissəcikləri örtüyünün məsamələrinin nisbətidir, yəni toz hissəcikləri ilə hissəciklərin məsamələri arasındakı boşluğun həcminin örtünün ümumi həcminə nisbətidir ki, bu da ümumi şəkildə ifadə edilir. faiz kimi. Tozun məsaməliliyi hissəciklərin morfologiyası, səth vəziyyəti, hissəcik ölçüsü və hissəcik ölçüsü paylanması ilə əlaqəli hərtərəfli xüsusiyyətdir. Onun məsaməliliyi elektrolit və litium ionlarının ötürülməsinin infiltrasiyasına birbaşa təsir göstərir. Ümumiyyətlə, məsaməlilik nə qədər böyükdürsə, elektrolit infiltrasiyası bir o qədər asan olur və litium ionunun ötürülməsi daha sürətli olur. Buna görə də, litium batareyanın dizaynında, bəzən məsaməni təyin etmək üçün, ümumi istifadə olunan civə təzyiq üsulu, qazın adsorbsiya üsulu və s. Sıxlığın hesablanmasından istifadə etməklə də əldə edilə bilər. Hesablamalar üçün müxtəlif sıxlıqlardan istifadə edərkən məsaməlilik də müxtəlif təsirlərə malik ola bilər. Canlı maddənin, keçirici maddənin və bağlayıcının məsaməliliyinin sıxlığı həqiqi sıxlıqla hesablandıqda, hesablanmış məsamə hissəciklər arasındakı boşluq və hissəciklərin içərisindəki boşluq daxildir. Canlı maddənin, keçirici maddənin və bağlayıcının məsaməliliyi hissəciklərin sıxlığı ilə hesablandıqda, hesablanmış məsamə hissəciklər arasındakı boşluq daxildir, lakin hissəciklərin içərisindəki boşluq deyil. Buna görə də, litium batareya elektrod təbəqəsinin məsamə ölçüsü də çox miqyaslıdır, ümumiyyətlə hissəciklər arasındakı boşluq mikron miqyaslı ölçüdədir, hissəciklərin içərisindəki boşluq isə nanometrdən submikron miqyasına qədərdir. Məsaməli elektrodlarda effektiv diffuziya və keçiricilik kimi nəqliyyat xüsusiyyətlərinin əlaqəsi aşağıdakı tənliklə ifadə edilə bilər:

Burada D0 materialın özünün daxili diffuziya (keçirmə) sürətini ifadə edir, ε müvafiq fazanın həcm hissəsidir, τ isə müvafiq fazanın dövrə əyriliyidir. Makroskopik homojen modeldə məsaməli elektrodların effektiv pozitivliyini qiymətləndirmək üçün ɑ =1.5 əmsalı alaraq, ümumiyyətlə Bruggeman münasibətindən istifadə edilir.

Elektrolit məsaməli elektrodların məsamələrində doldurulur, burada litium ionları elektrolit vasitəsilə aparılır və litium ionlarının keçiricilik xüsusiyyətləri məsaməliliklə sıx bağlıdır. Gözeneklilik nə qədər böyükdürsə, elektrolit fazasının həcm payı bir o qədər yüksəkdir və litium ionlarının effektiv keçiriciliyi bir o qədər yüksəkdir. Müsbət elektrod vərəqində elektronlar karbon yapışan faza ilə ötürülür, karbon yapışqan fazasının həcm hissəsi və karbon yapışqan fazasının dolama yolu birbaşa elektronların effektiv keçiriciliyini müəyyən edir.

Karbon yapışdırıcı fazanın məsaməliliyi və həcm hissəsi ziddiyyətlidir və böyük məsaməlik qaçılmaz olaraq karbon yapışqan fazasının həcm hissəsinə gətirib çıxarır, buna görə də litium ionlarının və elektronların effektiv keçiricilik xüsusiyyətləri də Şəkil 2-də göstərildiyi kimi ziddiyyətlidir. Məsaməlik azaldıqca litium ionunun effektiv keçiriciliyi azalır, elektron effektiv keçiriciliyi isə artır. İkisini necə balanslaşdırmaq da elektrod dizaynında vacibdir.

Şəkil 2 Məsaməlik və litium-ion və elektron keçiriciliyin sxematik diaqramı

2. Qütb qüsurlarının növü və aşkarlanması

 

Hal-hazırda, batareya dirəyinin hazırlanması prosesində məhsulların istehsal qüsurlarını effektiv şəkildə müəyyən etmək, qüsurlu məhsulları aradan qaldırmaq və istehsal xəttinə vaxtında rəy bildirmək, istehsala avtomatik və ya əl ilə düzəlişlər etmək üçün getdikcə daha çox onlayn aşkarlama texnologiyaları qəbul edilir. proses, qüsur nisbətini azaltmaq üçün.

Qütb təbəqəsi istehsalında tez-tez istifadə olunan onlayn aşkarlama texnologiyalarına məhlul xarakteristikasının aşkarlanması, dirək təbəqəsinin keyfiyyətinin aşkarlanması, ölçülərin aşkarlanması və s. daxildir, Məsələn: (1) onlayn özlülük ölçən reoloji materialı aşkar etmək üçün birbaşa örtük saxlama çəninə quraşdırılmışdır. real vaxtda məhlulun xüsusiyyətləri, məhlulun dayanıqlığını yoxlayın; (2) Kaplama prosesində rentgen və ya β-raydan istifadə, Onun yüksək ölçmə dəqiqliyi, lakin böyük radiasiya, avadanlıqların yüksək qiyməti və texniki xidmət problemi; (3) Qütb təbəqəsinin qalınlığını ölçmək üçün lazer onlayn qalınlığı ölçmə texnologiyası tətbiq olunur, Ölçmə dəqiqliyi ± 1. 0 μ m-ə çata bilər, O, həmçinin real vaxtda ölçülən qalınlığın və qalınlığın dəyişmə tendensiyasını göstərə bilər, Məlumatların izlənməsini asanlaşdırır və təhlili; (4) CCD görmə texnologiyası, yəni CCD xətti array, ölçülmüş obyekti skan etmək üçün istifadə olunur, Real vaxt rejimində təsvirin işlənməsi və qüsur kateqoriyalarının təhlili, Qütb təbəqəsinin səthi qüsurlarının dağıdıcı olmayan onlayn aşkarlanmasını həyata keçirin.

Keyfiyyətə nəzarət vasitəsi kimi, onlayn sınaq texnologiyası həm də qüsurlar və akkumulyatorun performansı arasındakı əlaqəni başa düşmək üçün vacibdir, beləliklə, yarımfabrikatlar üçün ixtisaslı/ixtisassız meyarları müəyyən etmək üçün.

Sonuncu hissədə litium-ion batareyasının səth qüsurlarının aşkarlanması texnologiyasının yeni üsulu, infraqırmızı termal görüntüləmə texnologiyası və bu müxtəlif qüsurlar ilə elektrokimyəvi performans arasındakı əlaqə qısaca təqdim olunur. D. Mohanty ilə məsləhətləşin. Mohanty et al tərəfindən hərtərəfli araşdırma.

(1) Dirək təbəqəsinin səthində ümumi qüsurlar

Şəkil 3, litium-ion batareya elektrodunun səthində ümumi qüsurları göstərir, solda optik təsvir və sağda termal görüntü cihazı tərəfindən çəkilmiş şəkil.

Şəkil 3 Dirək təbəqəsinin səthində ümumi qüsurlar: (a, b) qabarıq zərf / aqreqat; (c, d) materialı / sancaq deşiyini buraxmaq; (e, f) metal yad cisim; (g, h) qeyri-bərabər örtük

 

(A, b) qabarıqlıq / məcmu qabarıq, bu cür qüsurlar məlhəm bərabər şəkildə qarışdırıldıqda və ya örtük sürəti qeyri-sabit olduqda baş verə bilər. Yapışqan və karbon qara keçirici maddələrin birləşməsi aktiv maddələrin aşağı tərkibinə və qütb tabletlərinin yüngülliyinə səbəb olur.

 

(c, d) düşmə / pinhole, bu qüsurlu sahələr örtülmür və adətən şlamdakı qabarcıqlar tərəfindən istehsal olunur. Onlar aktiv materialın miqdarını azaldır və kollektoru elektrolitə məruz qoyur, beləliklə, elektrokimyəvi qabiliyyəti azaldır.

 

(E, f) avadanlıq və ətraf mühitə daxil olan metal yad cisimlər, şlam və ya metal yad cisimlər və metal yad cisimlər litium batareyalarına böyük zərər verə bilər. Böyük metal hissəcikləri birbaşa diafraqmanı pozur, nəticədə müsbət və mənfi elektrodlar arasında qısaqapanma yaranır ki, bu da fiziki qısaqapanmadır. Bundan əlavə, metal yad cismi müsbət elektroda qarışdırdıqda, yükləndikdən sonra müsbət potensial artır, metal həll edir, elektrolit vasitəsilə yayılır və daha sonra mənfi səthə çökür və nəhayət, diafraqmanı deşərək qısa bir dövrə əmələ gətirir. kimyəvi həlledici qısaqapanmadır. Akkumulyator fabrikində ən çox yayılmış metal yad cisimlər Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS və s.

 

(g, h) qeyri-bərabər örtük, məsələn, məhlulun qarışığı kifayət deyil, hissəcik böyük olduqda hissəciklərin incəliyi asanlıqla zolaqlar görünür, nəticədə qeyri-bərabər örtük yaranır, bu da batareyanın tutumunun tutarlılığına təsir göstərəcək və hətta tamamilə görünür. örtük zolağı yoxdur, tutum və təhlükəsizliyə təsir göstərir.

(2) Qütb çipinin səthi qüsurlarının aşkarlanması texnologiyası İnfraqırmızı (İQ) termal görüntüləmə texnologiyası quru elektrodlarda litium-ion batareyalarının işinə zərər verə biləcək kiçik qüsurları aşkar etmək üçün istifadə olunur. Onlayn aşkarlama zamanı elektrod qüsuru və ya çirkləndirici aşkar edilərsə, onu dirək vərəqində qeyd edin, sonrakı prosesdə aradan qaldırın və istehsal xəttinə geri qaytarın və qüsurları aradan qaldırmaq üçün prosesi vaxtında tənzimləyin. İnfraqırmızı şüa radio dalğaları və görünən işıq kimi eyni təbiətə malik olan bir növ elektromaqnit dalğasıdır. Cismin səthinin temperatur paylanmasını insan gözünün görünən təsvirinə çevirmək üçün xüsusi elektron cihazdan istifadə edilir və cismin səthinin temperatur paylanmasını müxtəlif rənglərdə göstərmək üçün infraqırmızı termal görüntüləmə texnologiyası deyilir. Bu elektron cihaz infraqırmızı termal görüntü cihazı adlanır. Mütləq sıfırdan (-273℃) yuxarı olan bütün obyektlər infraqırmızı şüalanma yayır.
Şəkil 4-də göstərildiyi kimi, infraqırmızı istilik yaxınlaşdırıcısı (IR Kamera) ölçülən hədəf obyektin infraqırmızı radiasiya enerjisinin paylanması modelini qəbul etmək və onu infraqırmızı detektorun fotohəssas elementində əks etdirmək üçün infraqırmızı detektordan və optik təsvir obyektindən istifadə edir. obyektin səthindəki istilik paylama sahəsinə uyğun gələn infraqırmızı termal görüntü. Bir obyektin səthində qüsur olduqda, ərazidə temperatur dəyişir. Buna görə də, bu texnologiya obyektin səthindəki qüsurları aşkar etmək üçün də istifadə edilə bilər, xüsusən də optik aşkarlama vasitələri ilə ayırd edilə bilməyən bəzi qüsurlar üçün uyğundur. Litium ion batareyasının qurutma elektrodu onlayn olaraq aşkar edildikdə, elektrod elektrodu əvvəlcə flaşla şüalanır, səthin temperaturu dəyişir, sonra səthin temperaturu termal görüntü cihazı ilə aşkar edilir. İstiliyin paylanması təsviri vizuallaşdırılır və səth qüsurlarını aşkar etmək və vaxtında qeyd etmək üçün təsvir real vaxt rejimində işlənir və təhlil edilir.D. Mohanty Tədqiqat elektrod təbəqəsinin səthinin temperatur paylama görüntüsünü aşkar etmək üçün örtücü qurutma sobasının çıxışına bir termal görüntü cihazı quraşdırdı.

Şəkil 5 (a) çılpaq gözlə ayırd edilə bilməyən çox kiçik bir qüsuru ehtiva edən termal görüntü cihazı tərəfindən aşkar edilmiş NMC müsbət dirək təbəqəsinin örtük səthinin temperatur paylama xəritəsidir. Marşrut seqmentinə uyğun olan temperaturun paylanması əyrisi qüsur nöqtəsində temperatur sıçrayışı ilə daxili daxildə göstərilir. Şəkil 5 (b)-də dirək təbəqəsinin səthinin qüsuruna uyğun olaraq müvafiq qutuda temperatur lokal olaraq artır. ŞEK. Şəkil 6, qüsurların mövcudluğunu göstərən mənfi elektrod təbəqəsinin səth temperaturunun paylanması diaqramıdır, burada temperatur artımının zirvəsi qabarcıq və ya aqreqatla, temperaturun azalma sahəsi isə pinhole və ya düşmə ilə uyğundur.

Şəkil 5 Müsbət elektrod təbəqəsinin səthinin temperatur paylanması

Şəkil 6 Mənfi elektrod səthinin temperatur paylanması

 

Görünür ki, temperaturun yayılmasının termal görüntüləmə aşkarlanması dirək təbəqələrinin səthi qüsurlarının aşkarlanması üçün yaxşı bir vasitədir və dirək təbəqələrinin istehsalının keyfiyyətinə nəzarət etmək üçün istifadə edilə bilər.3. Dirək təbəqələrinin səthi qüsurlarının batareyanın işinə təsiri

 

(1) Batareyanın çarpan tutumuna və Coulomb səmərəliliyinə təsir

Şəkil 7-də aqreqat və pin dəliyinin batareya çarpanının gücünə və kulen səmərəliliyinə təsir əyrisi göstərilir. Aqreqat həqiqətən batareya tutumunu yaxşılaşdıra bilər, lakin coulen səmərəliliyini azalda bilər. Sancaq dəliyi batareya tutumunu və Kulun səmərəliliyini azaldır və Kulun səmərəliliyi yüksək sürətlə çox azalır.

Şəkil 7 katod məcmu və pinhole batareya tutumuna və rəqəm 8 səmərəliliyinə təsiri qeyri-bərabər örtük və metal xarici bədən Co və Al batareya tutumu və səmərəlilik əyri təsiri, qeyri-bərabər örtük batareya vahid kütləvi tutumunu 10% azaldır - 20%, lakin bütün batareya tutumu 60% azalıb, bu, qütb parçasındakı canlı kütlənin əhəmiyyətli dərəcədə azaldığını göstərir. Metal Co yad cismin tutumu və Coulomb səmərəliliyi azaldı, hətta 2C və 5C yüksək böyüdücüdə, ümumiyyətlə tutum yoxdur, bu, litium və litiumun daxil edilmiş elektrokimyəvi reaksiyasında metal Co-nun əmələ gəlməsi ilə əlaqədar ola bilər və ya metal hissəcikləri ola bilər. diafraqma gözenekinin bağlanması mikro qısaqapanmaya səbəb oldu.

Şəkil 8 Müsbət elektrod qeyri-bərabər örtük və metal yad cisimlər Co və Al-ın batareya çarpanının gücünə və kulen səmərəliliyinə təsiri

Katod təbəqəsi qüsurlarının xülasəsi: Katod təbəqəsi örtüyündəki maddələr batareyanın Coulomb səmərəliliyini azaldır. Müsbət örtüyün pin dəliyi Coulomb səmərəliliyini azaldır, nəticədə xüsusilə yüksək cərəyan sıxlığında zəif çarpan performansı ilə nəticələnir. Heterojen örtük zəif böyütmə performansı göstərdi. Metal hissəciklərin çirkləndiriciləri mikro-qısa dövrələrə səbəb ola bilər və buna görə də batareyanın tutumunu əhəmiyyətli dərəcədə azalda bilər.
Şəkil 9 mənfi sızma folqa zolağının batareyanın çarpan tutumuna və Kulun səmərəliliyinə təsirini göstərir. Mənfi elektrodda sızma baş verdikdə, batareyanın tutumu əhəmiyyətli dərəcədə azalır, lakin qram tutumu aydın deyil və Kulun səmərəliliyinə təsiri əhəmiyyətli deyil.

 

Şəkil 9 Mənfi elektrod sızması folqa zolağının batareya çarpanının tutumuna və Kulun səmərəliliyinə təsiri (2) Batareyanın çoxaldıcı dövrünün performansına təsiri Şəkil 10 elektrod səthi qüsurunun batareya çarpanının dövrünə təsirinin nəticəsidir. Təsir nəticələri aşağıdakı kimi ümumiləşdirilir:
Eqreqasiya: 2C-də 200 dövrənin tutumun saxlanma dərəcəsi 70% və qüsurlu batareyanın 12%, 5C dövründə isə 200 dövrənin tutumun saxlanma dərəcəsi 50% və qüsurlu batareyanın 14% təşkil edir.
İğne deliği: tutumun zəifləməsi göz qabağındadır, lakin heç bir ümumi qüsurun zəifləməsi sürətli deyil və 200 dövrə 2C və 5C tutumun saxlanma dərəcəsi müvafiq olaraq 47% və 40% təşkil edir.
Metal yad cisim: metal Co yad cismin tutumu bir neçə dövrədən sonra demək olar ki, 0-dır və metal yad cisim Al folqasının 5C dövrü tutumu əhəmiyyətli dərəcədə azalır.
Sızma zolağı: Eyni sızma sahəsi üçün bir neçə kiçik zolağın batareya tutumu daha böyük zolaqdan daha tez azalır (47C-də 200 dövr üçün 5%) (7C-də 200 dövr üçün 5%). Bu onu göstərir ki, zolaqların sayı nə qədər çox olarsa, batareya dövriyyəsinə bir o qədər təsir edər.

Şəkil 10 Elektrod təbəqəsinin səthi qüsurlarının hüceyrə sürəti dövrünə təsiri

 

Ref.: [1] Yuva ilə örtülmüş ikinci dərəcəli litium batareya elektrodlarının in-line lazer kaliper və IR termoqrafiya üsulları ilə qeyri-dağıdıcı qiymətləndirilməsi [J]. ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Effekt Litium-ion batareyalarının elektrokimyəvi performansında elektrod istehsal qüsurları: Batareyanın nasazlıq mənbələrinin öyrənilməsi [J]. Enerji Mənbələri Jurnalı.2016, 312: 70-79.