Набухание кремниевого анода можно быстро оценить без необходимости изготовления батареи

Ожидается, что кремниевый (Си) материал отрицательного электрода с его уникальными преимуществами высокой теоретической емкости (4200 мАч/г) и богатыми ресурсами заменит широко используемые графитовые отрицательные электроды и станет основным материалом отрицательного электрода для следующего поколения литий-ионных аккумуляторов. . Наиболее перспективными анодами на основе кремния для крупномасштабной коммерциализации являются кремний-углеродные аноды и кремний-кислородные аноды, оба из которых имеют высокую удельную емкость. Однако из-за механизма легирования и делегирования кремния значительное структурное набухание, вызванное им, может повредить ранее существовавший интерфейс твердого электролита (СЭИ) на поверхности кремниевого материала. Это приводит к непрерывному разрушению и регенерации пленки СЭИ при циклировании, расходовании большого количества электролита, и в конечном итоге приводит к быстрому снижению емкости батареи. ² Следовательно,оценкапроизводительность силиконового материала,помимовудельная мощность, начальная эффективность и эффективность цикла, оценка егоприпухлостьпроизводительность также имеет решающее значение.

Существующие методы оценкиприпухлостьПроизводительность требует, чтобы материал кремниевого отрицательного электрода был подготовлен в ячейка мешка или ячейка с накоплением, а затем отслеживать на местеприпухлостьс помощью силовых структур и высокоточных датчиков (таких как Швеция от ИЭСТ).припухлостьряд). Однако процесс подготовки от порошкового материала до готовой ячейки требует не только линии по производству зрелых клеток, но и длительного цикла оценки. Поэтому, как быстро оценитьприпухлостьпроизводительность кремниевого материала стала трудной проблемой для многих исследователей материалов.

ИЭСТ недавно разработала четырехканальную систему быстрого скрининга на месте для отрицательного электрода на основе кремния (как показано на рисунке 1). Узнал из режима сборки батарейки типа «таблетка», он успешно достиг прямого измеренияприпухлостьпроизводительность кремниевых отрицательных электродов на конце электрода. Эта система устраняет трудозатраты, материальные и временные затраты, необходимые для подготовки готовых аккумуляторных элементов, и точно оценивает наиболее важные эксплуатационные показатели материалов кремниевых отрицательных электродов с минимальным потреблением и максимальной эффективностью, позволяя вам оставаться впереди в исследованиях и разработках. Кроме того, это устройство также совместимо с обычнымиприпухлостьиспытания малогабаритныхкарманная ячейкаи штабелированные аккумуляторные батареи (100 * 100 мм), действительно обеспечивающие многоцелевое использование.

Рис. 1. Анод на основе кремнияприпухлостьсистема быстрого досмотра на месте (четыре канала)

1. СбурлящийИспытание различных кремниево-углеродных материалов

1.1 Информация об тестовом образце

Положительный электрод:NCM811,нарезается в форме диска диаметром 14 мм.

Отрицательный электрод:B, C и D имеют одинаковую емкость (~ 5,9 мАч), но разные способы модификации.нарезаются на диски диаметром 16 мм(Материал B специально модифицирован компанией по производству аккумуляторных материалов в Нинбо из кремний-углеродного материала с низким коэффициентом расширения, в то время как C и D являются двумя распространенными кремний-углеродными материалами на рынке).

Электролит:коммерческий электролит.

Разделитель: Сепаратор из полипропилена, разрезается на диски диаметром 18 мм.

1.2 Информация об испытаниях и процесс

Таблица 1. Процесс зарядки и разрядки

1.3 Анализ результатов набухания

В перчаточном ящике три кремниево-углеродных материала были собраны в единое целое. круглая монета полная батарея (положительный электрод использует тот же материал НКМ, чтобы обеспечить принцип одной переменной), и быстроеприпухлостьТест был проведен с использованием системы быстрого экранирования с расширением на месте отрицательного электрода на основе кремния по технологии ИЭСТ, и результат показан на рисунке 2. Прежде всего, все три кремний-углеродных материала расширяются при зарядке и сжимаются при разряде,что согласуется с набуханием интеркаляции ионов литиякогда отрицательный электрод заряжен, иусадка деинтеркаляции ионов литияво время выписки. Поэтому, хоть мы и собрали полный аккумулятор, общийприпухлостьповедение батареи по-прежнему определяется отрицательным электродом, в то время какприпухлостьа сжатие положительного электрода намного меньше, чем у отрицательного электрода³. Во-вторых, точки перегибаприпухлостьКривые этих трех также хорошо согласуются с точками перегиба кривых заряда и разряда, что указывает на то, чтоприпухлостькривые могут отражать поведение расширения и сжатия во время работы литий-ионной батареи.процесс деинтеркаляции.

В то же времямодель монетоприемника припухлостьметод оценки может также эффективно оценитьприпухлостьразница между различными кремний-углеродными материалами. Из рис. 2 хорошо видно, что в одном и том же диапазоне рабочих напряжений общаяприпухлостькремний-углеродного материала типа B намного меньше, чем у двух других типов кремний-углеродных материалов, что указывает на то, что специальная модифицирующая обработка может значительно замедлить рост кремний-углеродного отрицательного электрода. Сбурлящий, тем самым уменьшая ряд побочных реакций, вызванныхприпухлость, и, в конечном счете, улучшение характеристик цикла материала. Кроме того, в Таблице 2 и Таблице 3 соответственно подсчитываетсяприпухлостьтолщина иприпухлостьданные скорости трех кремний-углеродных материалов, из которых видно, что: (1) Расширение трех кремний-углеродных материалов для первой загрузки будет выше, чем для первого разряда и последних двух циклов.припухлостьзаряда и разряда намного больше, и есть определенная необратимаяприпухлостьв первом цикле заряда и разряда. Это связано с тем, что отрицательный электрод будет генерировать пленку СЭИ и производить определенные необратимые изменения.припухлостьна поверхности активных частиц в дополнение к интеркаляции литияприпухлостьво время первой зарядки. (2) Сравнениеприпухлостьданных двух последних циклов зарядки и разрядки видно, что среднееприпухлостьтолщина кремнийуглеродного материала типа B после модификации составляет всего ~ 4,2 мкм, априпухлостьскорость составляет ~ 8,9%, в то время как материал C-типа и D в среднемприпухлостьматериала типа B в 3,7 раза и в 5 раз больше, чем материала типа B,соответственночтоприпухлостьЭффект модификации материала типа B очень очевиден.

Рис. 2. Использование модельной батареи для быстрой оценки изменения толщины набухания трех различных кремний-углеродных материалов в течение 3 циклов заряда и разряда, где пунктирная линия представляет собой кривую зависимости напряжения от времени, а сплошная линия — кривую изменения толщины набухания. с течением времени.

Таблица 2. Толщина набухания трех кремнийуглеродных материалов за цикл заряда и разряда

Таблица 3. Скорость набухания трех кремнийуглеродных материалов за цикл заряда и разряда

2. Наблюдение за электронным микроскопом различных материалов Сик

Кроме того, для сравненияприпухлостьполюсного наконечника, измеренного кнопкой модели с результатом ручного измерения толщины, мы разобрали полностью заполненный кремний-углеродный полюсный наконечник и наблюдали и сравнивали поперечное сечение полюсного наконечника под сканирующим электронным микроскопом. Толщина была измерена, и результаты показаны на рис. 3. После вычета толщины медной фольги толщина покрытия кремниево-углеродного полюсного наконечника типа B увеличилась с ~ 50,81 мкм до ~ 55,45 мкм после полной зарядки, а общееприпухлостьсоставляет ~4,64 мкм, что соответствует среднемуприпухлостьтолщина измеряется с помощью модели пряжки. очень близко. Кроме того, для кремний-углеродных материалов C и D толщина покрытия увеличилась на ~11,98 мкм и ~14,65 мкм соответственно после полного заполнения, что подобноприпухлостьданные последних двух циклов в таблице 2. Таким образом, независимо от того, используется ли модель для мониторинга на месте, или полюсный наконечник разбирается для наблюдения под электронным микроскопом,припухлостьтенденции трех кремний-углеродных материалов совпадают, то есть D>С>Б.

Рисунок 3. Изображения поперечного сечения трех кремниево-углеродных полюсных наконечников, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, до полной зарядки (свежие) и после полной зарядки (полная зарядка). Среди них (аб) изображение кремний-углеродного материала типа B, полученное с помощью электронного микроскопа; (CD) — электронно-микроскопическое изображение кремний-углеродного материала типа C; (эф) представляет собой изображение кремний-углеродного материала типа D, полученное с помощью электронного микроскопа.

3. Резюме

В этой статье было проведено испытание на быстрое расширение трех кремний-углеродных материалов с различными условиями модификации с использованием отрицательного электрода ИЭСТ на основе кремния.припухлостьсистема быстрого досмотра на месте. Отрицательные электроды из трех кремниевых углеродных электродов не нужно готовить в виде мягких пакетов или ламинированных элементов, их нужно только собрать в модель кнопочной батарейки для непосредственного тестирования.припухлостьтолщина кремниево-углеродного листа отрицательного электрода на месте, что не только экономит время на подготовку готовых ячеек. Громоздкие шаги также значительно повышают эффективностьприпухлостьоценка материалов на основе кремния. Из результатов испытаний модели пряжки на месте видно, чтоприпухлостькремний-углеродного материала типа B после специальной модификации намного меньше, чем кремний-углеродные материалы типа C и D, которые распространены на рынке. В то же время мы также разобрали полностью заряженный полюсный наконечник и исследовали его в электронный микроскоп. Результаты наблюдения показали ту же тенденцию, что и испытание модели пряжки на месте, т. е.припухлостькремний-углеродного материала типа B был наименьшим среди трех, что указывает на то, что ИЭСТ Отрицательный электрод на основе кремнияприпухлостьсистема быстрого скрининга на месте может напрямую оценитьприпухлостьпроизводительность материала на конце электрода, точно оценить важнейшие показатели производительности кремниевого отрицательного электрода с наименьшим потреблением и самой быстрой эффективностью, и сделать ваши исследования и разработки на один шаг быстрее!

4. Справочные материалы

[1] М. Ашури, QR-код Он и ЛЛ Шоу, Кремний как потенциальный материал анода для литий-ионных аккумуляторов: размер, геометрия и структура имеют значение. Наномасштаб 8 (2016) 74–103.

[2] XH Шен, РЖ Руи, ZY Тиан, ​​ДП Чжан, ГЛ Цао и L. Шао, Разработка композитных анодных материалов кремний/углерод для литий-ионных аккумуляторов. Дж. Чин. Крем. соц. 45 (2017) 1530-1538.

[3] Р. Кёрвер, В. Б. Чжан, Л. Биази, С. Швейдлер, А. Кондраков, С. Коллинг, Т. Бжезински, П. Хартманн, В. Зейер и Дж. Янек, Химико-механическое расширение литиевых электродных материалов. - на пути к механически оптимизированным полностью твердотельным батареям. Энерг. Окружающая среда. наук 11 (2018) 2142-2158.