Сравнение расширения и разложения положительных и отрицательных электродов в литий-ионных батареях

Литий-ионные батареи подвергаются структурному расширению или сжатию из-за деинтеркаляции лития в процессе зарядки и разрядки. При зарядке литий-ионного аккумулятора на стороне отрицательного электрода происходит процесс интеркаляции лития (например, графитовые отрицательные электроды, отрицательные электроды из твердого углерода и т. д.) или введения лития (например, отрицательные электроды на основе кремния, литиевые металлические отрицательные электроды и т. д.), поэтому материалы отрицательных электродов обычно подвергаются значительному объемному расширению по мере увеличения глубины внедрения лития. Например, графитовые отрицательные электроды обычно обеспечивают объемное расширение от 10 до 15%, тогда как отрицательные электроды на основе кремния могут обеспечивать максимальное объемное расширение 300%. Однако для катодных материалов литиевых батарей в процессе зарядки происходит процесс делитирования, поэтому будет ли его структура сжиматься по мере увеличения глубины делитирования? Ответ был"нет". Литературные исследования показывают, что катодные материалы НКМ или LCO также подвергаются структурному расширению во время зарядки и делитирования. Это связано с тем, что удаление ионов лития увеличит межслоевое кулоновское отталкивание в направлении оси c микрокристаллической структуры катодного материала, что приведет к макроскопическому структурному расширению.^[1,2].

Обычно люди всегда используют всю батарею в качестве основного корпуса для изучения изменений объема батареи в процессе зарядки и разрядки. Хотя этот метод прост в использовании, результаты могут отражать только общее расширение положительных и отрицательных электродов, невозможно дополнительно разделить расширение положительных и отрицательных электродов и провести сравнительный анализ пропорций вклада положительного и отрицательного электрода. материалы к общему расширению полностью заряженной батареи. Он также не может ответить на поставленные выше вопросы о поведении материалов положительных электродов при расширении.

Так можем ли мы использовать полуэлемент, чтобы разделить степень расширения положительного и отрицательного электродов? Поскольку листы лития будут подвергаться большому объемному расширению в процессе деинтеркаляции и деинтеркаляции лития^[3]Традиционный метод сборки полуэлементов все еще не может эффективно разложить поведение расширения положительных и отрицательных электродов. Основываясь на этом, ИЭСТ применяет специальную конструкционную конструкцию и технологию обработки для изоляции помех расширения литиевых листов в полуэлементе, тем самым эффективно развязывая и анализируя расширение листов положительного и отрицательного электрода!

1. Условия тестирования

1.1 Испытательное оборудование

Для испытания на расширение заряда и разряда положительных и отрицательных полуэлементов на месте используется самодельная форма для испытания на расширение монополя ИЭСТ, а для испытания на расширение кнопочной полной батареи используется самодельная модель пряжки ИЭСТ. Их структурные схемы соответственно показаны на рисунках 1 (c) и (b). Изменения толщины расширения обоих в различных состояниях внедрения лития были записаны в реальном времени с помощью системы быстрого скрининга расширения отрицательных электродов на основе кремния на месте (RSS1400, ИЭСТ), оснащенный высокоточным датчиком толщины, как показано на рисунке 1(а).

Рис. 1. (a) Система быстрого просеивания на основе анода на основе кремния (RSS1400, ИЭСТ) и кнопка проверки полной ячейки (b) Кнопка полуячейки (c) Соответствующая форма для объемного расширения

1.2  Процесс тестирования на месте

① Положительный электрод изготовлен из материала NCM523, а отрицательный электрод — из материала Карбид кремния. Сначала он собирается в полностью заряженную батарею с помощью самодельной модели пряжки ИЭСТ (как показано на рисунке 1 (b)) и при условии силы предварительной нагрузки 5 кг со скоростью 01C. Заряжается и разряжается, записывая кривую расширения. полной батареи кнопочного типа на месте.

② Затем соберите полуэлементы кнопки положительного электрода NCM523 и отрицательного электрода Карбид кремния соответственно в форме для испытания на монопольное расширение (показано на рисунке 1 (c)), и заряжайте и разряжайте со скоростью 01C при условии силы предварительной нагрузки 5 кг. В то же время кривая расширения толщины положительного или отрицательного электрода записывалась на месте.

2.    Анализ результатов

В таблице 1 показаны емкость заряда и разряда, а также эффективность полуэлементов кнопки и полных ячеек кнопки после двух циклов. Эффективность положительных и отрицательных полуэлементов немного ниже, чем у коммерческих кнопочных элементов 2032, это вызвано использованием специальной конструкции крепления и специальной керамической диафрагмы в расширительной форме монополярной детали. Поскольку емкость заряда и разряда положительно связана с соответствующим расширением толщины, а емкость положительных и отрицательных полуэлементов несовместима с емкостью полной батареи, если вы хотите сравнить поведение трех элементов при расширении, вам необходимо нормализовать сравнивается их емкость, то есть расширение по толщине, вызванное единичным зарядом и разрядной емкостью трех.

На рис. 2 показаны кривые заряда и разряда трех аккумуляторов во втором цикле зарядки. Мы нормализовали их в соответствии с их характеристиками емкости: диапазон заряда и разряда полной ячейки (NCM523 // Карбид кремния) и положительной полуячейки (NCM523 // Ли) составляет 3 ~ 4,25 В, в то время как диапазон зарядки и разрядки отрицательная полуячейка (Карбид кремния // Ли) составляет 0,005 ~ 2 В. На рисунке 3 показаны изменения толщины расширения трех батарей во время второго цикла зарядки и разрядки. Из этого видно, что расширение толщины полной батареи при зарядке и разрядке в основном происходит со стороны отрицательного электрода и составляет более 80%, объемное расширение со стороны катода составляет лишь менее 10%, что согласуется с результатами испытаний в другой литературе [4,5]. Кроме того, согласно соответствующим данным, объемное расширение нынешних основных катодных материалов составляет примерно^[4,5]: ЛФП-6,5%, LCO-1,9%, ЖМО-7,3%, НКМ-6,5% (в зависимости от содержания Ни), НКА-6%.

Таблица 1. Сравнение зарядной и разрядной емкости и эффективности между полуэлементами кнопки с положительным и отрицательным электродом и заполненными элементами кнопки после двух циклов

Рисунок 2. Изменение напряжения со временем во втором цикле заряда и разряда полуэлементов кнопки положительного и отрицательного электрода и полных ячеек кнопки. Чтобы облегчить сравнение между этими тремя компаниями, нормализация проводилась в соответствии с загрузкой мощностей.

Рис. 3. Кривая изменения увеличения емкости агрегата со временем для полуэлементов кнопки положительного и отрицательного электрода и полных ячеек кнопки во втором цикле заряда и разряда. Чтобы облегчить сравнение между этими тремя компаниями, нормализация проводилась в соответствии с загрузкой мощностей.

3. Краткое содержание

В этой статье используется форма для испытания на расширение монопольного листа, разработанная ИЭСТ, для разложения и сравнения поведения при расширении листов положительных и отрицательных электродов литий-ионных батарей. Поскольку в этой форме используется специальная конструкционная конструкция и специальная керамическая диафрагма, ее эффективность заряда и разряда будет немного ниже, чем у коммерческого заряда 2032, однако по результатам испытаний на расширение все же можно увидеть, что расширение кнопки по толщине Полная батарея типа в основном поступает со стороны отрицательного электрода, что составляет более 80%, в то время как объемное расширение стороны положительного электрода составляет менее 10%. это согласуется с результатами испытаний в другой литературе^[4,5]. Этот результат поможет исследователям сравнительно проанализировать вклад материалов положительных и отрицательных электродов в объемное расширение полной батареи, более целенаправленно оптимизировать и модифицировать материалы и ускорить разработку материалов с высокой емкостью и низким расширением!

4.  Справочные материалы

[1] Ф. Б. Спинглер, С. Кучер, Р. Филлипс, Э. Мояссари и А. Джоссен, Электрохимически стабильная дилатометрия в-местонахождение НКМ, НКА и графитовых электродов для литий-ионных элементов по сравнению с измерениями рентгеноструктурный анализ. Дж. Электрохим. Соц. 168 (2021) 040515. 

[2] Б. Ригер, С. Шлютер, С. В. Эрхард и А. Йоссен, Распространение деформации в литий-ионных батареях от кристаллической структуры до электродного уровня. Дж. Электрохим. Соц. 163 (2016) А1595-А1606.

[3] К. Луо, Х. Ху, Т. Чжан, С. Дж. Вэнь, Р. Ван, Ю. Н. Ань, С. С. Чи, Дж. Ван, К. Ван, Дж. Чанг, З. Дж. Чжэн и Ю. Х. Дэн, Рулон-к-Рулон. Изготовление литий-композитных анодов с нулевым расширением объема для создания гибких и стабильных литий-металлических батарей с высокой плотностью энергии. Адв. Матер. 34 (2022) 2205677.

[4] Р. Коервер, В. Б. Чжан, Л. Биаси, С. Швайдлер, А. О. Кондраков, С. Коллинг, Т. Брезезински, П. Хартманн, В. Г. Зейер и Дж. Янек, Химико-механическое расширение литиевых электродных материалов - на путь к механически оптимизированным твердотельным батареям. Энергетическая среда. наук. 11 (2018) 2142-2158.

[5] Ю. Кояма, Т. Э. Чин, У. Райнер, Р. К. Холман, С. Р. Холл и Ю. М. Чан, Использование потенциала срабатывания твердотельных интеркаляционных соединений. Адв. Функц. Матер. 16 (2006) 492-498.