Dadorchuddio'r Dirgelwch: Gallu Damcaniaethol Gwych mewn Batris Lithiwm-Ion

Pam batri lithiwm yn bodoli ffenomen gallu damcaniaethol super

Mewn batris lithiwm-ion (LIBs), mae llawer o electrodau metel ocsid trawsnewidiol yn arddangos cynhwysedd storio anarferol o uchel y tu hwnt i'w gwerth damcaniaethol. Er bod y ffenomen hon wedi'i hadrodd yn eang, mae'r mecanweithiau ffisicocemegol sylfaenol yn y deunyddiau hyn yn parhau i fod yn anodd eu canfod ac yn parhau i fod yn destun dadl.

Proffil canlyniadau

Yn ddiweddar, cyhoeddodd yr Athro Miao Guoxing o Brifysgol Waterloo, Canada, yr Athro Yu Guihua o Brifysgol Texas yn Austin, a Li Hongsen a Li Qiang o Brifysgol Qingdao ar y cyd bapur ymchwil ar Ddeunyddiau Natur o dan y teitl "Cynhwysedd storio ychwanegol yn batris lithiwm-ion metel ocsid trawsnewid a ddatgelir gan magnetometreg in situ". Yn y gwaith hwn, defnyddiodd yr awduron fonitro magnetig in situ i ddangos presenoldeb cynhwysedd arwyneb cryf ar nanoronynnau metel a bod modd storio nifer fawr o electronau sbin-polaredig mewn nanoronynnau metel sydd eisoes wedi'u lleihau, sy'n gyson â'r mecanwaith gwefr ofodol. Yn ogystal, gellir ymestyn y mecanwaith tâl gofodol a ddatgelwyd i gyfansoddion metel pontio eraill, gan ddarparu canllaw allweddol ar gyfer sefydlu systemau storio ynni uwch.

Uchafbwyntiau ymchwil

(1) Astudiwyd Fe nodweddiadol trwy ddefnyddio'r dechneg monitro magnetig in-situ3O4/ Esblygiad y strwythur electronig y tu mewn i'r batri Li;

(2) yn datgelu bod y Fe3O4In y system / Li, y capasiti tâl wyneb yw prif ffynhonnell y capasiti ychwanegol;

(3) Gellir ymestyn mecanwaith cynhwysedd wyneb nanoronynnau metel i ystod eang o gyfansoddion metel pontio.

Canllaw testun a thestun

1. Nodweddiad strwythurol a phriodweddau electrocemegol

Cafodd monodisperse hollow Fe ei syntheseiddio gan ddulliau hydrothermol confensiynol3O4Nanospheres, ac yna perfformio ar 100 mAg - 1Tâl a rhyddhau ar ddwysedd cyfredol (Ffigur 1a), y gallu rhyddhau cyntaf yw 1718 mAh g -1, 1370 mAhg yn yr ail a'r trydydd tro, yn y drefn honno - 1A 1,364 mAhg - 1, Pell dros 926 mAhg - 1 Damcaniaeth disgwyliadau. Mae delweddau BF-STEM o'r cynnyrch sydd wedi'i ryddhau'n llawn (Ffigur 1b-c) yn dangos, ar ôl lleihau lithiwm, bod y nanosfferau Fe3O4 wedi'u trosi'n nanoronynnau Fe llai yn mesur tua 1 - 3 nm, wedi'u gwasgaru yng nghanolfan Li2O.

Er mwyn dangos y newid mewn magnetedd yn ystod y cylch electrocemegol, cafwyd cromlin magnetization ar ôl rhyddhau llawn i 0.01 V (Ffigur 1d), sy'n dangos yr ymddygiad superparamagnetig oherwydd ffurfio nanoronynnau.

Ffigur 1 (a) ar 100 mAg−1Fe o'r seiclo ar y dwysedd cerrynt 3O4/ Gwefr cerrynt cyson a chromlin rhyddhau batri Li; (b) yn llawn lithiwm Fe3O4The BF-STEM delwedd yr electrod; (c) presenoldeb Li yn y delweddau BF-STEM cydraniad uchel o O ac Fe; (ch) Fe2O3Cromlin hysteresis yr electrod cyn (du) ac ar ôl (glas), a chromlin gosod Langevin yr olaf (porffor).

2. Canfod esblygiad strwythurol a magnetig mewn amser real

Er mwyn cyfuno'r electrocemeg â newidiadau strwythurol a magnetig Fe3O4Of yn gysylltiedig â'r Fe3O4, bu'r electrodau yn destun diffreithiant pelydr-X yn y fan a'r lle (XRD) a monitro magnetig in situ. Fe mewn cyfres o batrymau diffreithiant XRD yn ystod y gollyngiad cychwynnol o'r foltedd cylched agored (OCV) i 1.2V3O4 Ni newidiodd y brigau diffreithiant yn sylweddol o ran dwyster neu safle (Ffigur 2a), sy'n dangos bod y Fe3O4Only wedi profi'r broses intercalation Li. Pan gaiff ei gyhuddo o'r 3V, mae'r strwythur gwrth-spinel Fe3O4The yn parhau'n gyfan, sy'n awgrymu bod y broses yn y ffenestr foltedd hon yn gildroadwy iawn. Perfformiwyd monitro magnetig pellach yn y fan a'r lle ynghyd â phrofion gwefr-rhyddhau cyson i ymchwilio i sut mae magneteiddio yn esblygu mewn amser real (Ffigur 2b).

Ffigur 2 Nodweddu XRD in-situ a monitro magnetig.(A) in situ XRD; (b) Cromlin gwefr-rhyddhau electrocemegol Fe3O4 o dan faes magnetig cymhwysol 3 T ac ymateb magnetig cyfatebol cildroadwy in situ.

Er mwyn cael dealltwriaeth fwy sylfaenol o'r broses drawsnewid hon o ran newidiadau magneteiddio, cesglir yr ymateb magnetig mewn amser real a'r trawsnewidiad cyfnod cyfatebol sy'n cyd-fynd ag adweithiau a yrrir gan electrocemegol (Ffigur 3). Mae'n eithaf amlwg, yn ystod y gollyngiad cyntaf, fod ymateb magnetization Fe3O4The yr electrodau yn wahanol i'r cylchoedd eraill oherwydd Fe yn ystod y lithalization3O4 cyntaf Oherwydd bod y cyfnod pontio anghildroadwy yn digwydd. Pan fydd y potensial yn gostwng i 0.78V, y cam Fe3O4The antispinel ei drawsnewid i gynnwys Li2The dosbarth FeO strwythur halite o O, Fe3O4Ni ellir adfer y cam ar ôl codi tâl. Yn gyfatebol, mae'r magnetization yn gostwng yn gyflym i 0.482 μ b Fe -1. Wrth i lithialization fynd rhagddo, ni ffurfiwyd unrhyw gyfnod newydd, a dechreuodd dwysedd copaon diffreithiant FeO dosbarth (200) a (220) wanhau.equal Fe3O4Nid oes brig XRD sylweddol yn cael ei gadw pan fydd yr electrod wedi'i liialu'n llwyr (Ffigur 3a). Sylwch, pan fydd yr electrod Fe3O4 yn gollwng o 0.78V i 0.45V, mae'r magnetization (o 0.482 μ b Fe−1 wedi'i gynyddu i 1.266 μ bFe−1), priodolwyd hyn i'r adwaith trosi o FeO i Fe. Yna, ar ddiwedd y gollyngiad, gostyngwyd y magnetization yn araf i 1.132 μ B Fe−1. Mae'r canfyddiad hwn yn awgrymu y gall y Fe0Nanoparticles metel sydd wedi'i leihau'n llawn barhau i gymryd rhan yn yr adwaith storio lithiwm, gan leihau magnetization yr electrodau.

Ffigur 3 Arsylwadau yn y fan a'r lle o'r trawsnewidiad cyfnod a'r ymateb magnetig.（a） Map XRD Fe3O4In situ a gasglwyd yn ystod gollyngiad cyntaf yr electrod; (b) Fe3O4Mesur grym magnetig in situ o gylchredau electrocemegol o gelloedd / Li mewn maes magnetig cymhwysol o 3 T.

3. Fe0/Li2Surface cynhwysedd y system O

Fe3O4Mae newidiadau magnetig yr electrodau yn digwydd ar folteddau isel, lle mae cynhwysedd electrocemegol ychwanegol yn fwyaf tebygol o gynhyrchu, sy'n awgrymu presenoldeb cludwyr gwefr heb eu darganfod yn y gell. Er mwyn archwilio'r mecanwaith storio lithiwm posibl, astudiwyd Fe trwy gyfrwng XPS, STEM a pherfformiad magnetig sbectrwm3O4Electrodes o gopaon magnetization yn 0.01V, 0.45V a 1.4V i bennu ffynhonnell y newid magnetig. Mae'r canlyniadau'n dangos bod y foment magnetig yn ffactor allweddol sy'n effeithio ar y newid magnetig, oherwydd nid yw'r anisotropi magnetig a'r cyplu rhynggronynnau yn effeithio ar Fe0/Li2The Ms y system O wedi'i fesur.

Er mwyn deall ymhellach briodweddau cinetig Fe3O4The electrodau ar foltedd isel, foltammetreg cylchol ar gyfraddau sganio gwahanol. Fel y dangosir yn Ffigur 4a, mae'r gromlin voltamogram cylchol hirsgwar yn ymddangos o fewn yr ystod foltedd rhwng 0.01V a 1V (Ffigur 4a). Mae Ffigur 4b yn dangos bod ymateb capacitive Fe3O4A wedi digwydd ar yr electrod. Gydag ymateb magnetig gwrthdroadwy iawn y broses codi tâl a rhyddhau cyfredol cyson (Ffigur 4c), gostyngodd magnetization yr electrod o 1V i 0.01V yn ystod y broses ryddhau, a chynyddodd eto yn ystod y broses codi tâl, gan nodi bod Fe0Of yn debyg i gynhwysydd. adwaith arwyneb yn gildroadwy iawn.

Ffigur 4 priodweddau electrocemegol a nodweddu magnetig in situ ar 0.011 V.(A) Y gromlin foltammetrig gylchol.(B) mae gwerth b yn cael ei bennu gan ddefnyddio'r gydberthynas rhwng y cerrynt brig a'r gyfradd sganio; (c) y newid cildroadwy yn y magnetization o'i gymharu â'r gromlin gwefr-rhyddhau o dan faes magnetig cymhwysol 5 T.

Fe3O4 uchod Mae nodweddion electrocemegol, strwythurol a magnetig yr electrodau yn dangos bod y gallu batri ychwanegol yn cael ei bennu gan Fe0Mae cynhwysedd wyneb troellog-polaredig y nanoronynnau yn cael ei achosi gan y newidiadau magnetig sy'n cyd-fynd â nhw. Mae'r capacitance sbin-polarized yn ganlyniad cronni tâl sbin-polarized yn y rhyngwyneb a gall arddangos ymateb magnetig yn ystod tâl a rhyddhau.to Fe3O4The electrod sylfaen, yn ystod y broses rhyddhau cyntaf, ei wasgaru yn Li2Fine Fe nanoronynnau yn y swbstrad O wedi cymarebau arwyneb-i-gyfaint mawr ac yn gwireddu dwysedd uchel o daleithiau ar lefel Fermi oherwydd yr orbitalau d hynod leol. Yn ôl model damcaniaethol Maier o storio gwefr ofodol, mae'r awduron yn cynnig y gellir storio llawer iawn o electronau yn y bandiau hollti troelli o nanoronynnau Fe metelaidd, y gellir eu canfod yn Fe / Li2Creating cynwysorau arwyneb pegynol sbin yn y nanocomposites O ( Ffigur 5).

graff 5Fe/Li2A Cynrychioliad sgematig o gynhwysedd arwyneb yr electronau sbin-begynol ar y rhyngwyneb O.(A) y diagram sgematig o gyflwr polareiddio troelliad dwysedd arwyneb gronynnau metel fferromagnetig (cyn ac ar ôl gollwng), yn groes i y polareiddio sbin swmp o haearn; (b) ffurfio'r rhanbarth gwefr gofod yn y model cynhwysydd arwyneb o lithiwm wedi'i orstorio.

Crynodeb ac Rhagolwg

Ymchwiliwyd i TM / Li gan fonitro magnetig in-situ datblygedig2The esblygiad strwythur electronig mewnol y nanocomposite O i ddatgelu ffynhonnell capasiti storio ychwanegol ar gyfer y batri lithiwm-ion hwn. Mae'r canlyniadau'n dangos, yn system celloedd model Fe3O4/ Li, y gall nanoronynnau Fe sydd wedi'u lleihau'n electrocemegol storio llawer iawn o electronau sbin-polaredig, gan arwain at gapasiti gormodol celloedd a magnetedd rhyngwynebol wedi'i newid yn sylweddol. Arbrofion a ddilyswyd ymhellach CoO, NiO, a FeF2And Fe2Mae presenoldeb cynhwysedd o'r fath mewn deunydd electrod N yn nodi bodolaeth cynhwysedd wyneb troellog-polaredig o nanoronynnau metel mewn batris ïon lithiwm ac yn gosod y sylfaen ar gyfer cymhwyso'r mecanwaith storio tâl gofodol hwn mewn cyfnod pontio arall. deunyddiau electrod cyfansawdd metel.

Cyswllt llenyddiaeth

Cynhwysedd storio ychwanegol mewn batris lithiwm-ion ocsid metel trosiannol a ddatgelir gan magnetometreg in situ (Deunyddiau Natur, 2020, DOI: 10.1038 / s41563-020-0756-y)

Dylanwad fformiwla dylunio wafferi electrod lithiwm a diffygion wafferi electrod ar berfformiad

1. Erthygl sylfaen dylunio ffilm polyn

Mae'r electrod batri lithiwm yn orchudd sy'n cynnwys gronynnau, wedi'u cymhwyso'n gyfartal i'r hylif metel. Gellir ystyried cotio electrod batri ïon lithiwm yn ddeunydd cyfansawdd, sy'n cynnwys tair rhan yn bennaf:

(1) Gronynnau sylwedd gweithredol;

(2) cam cyfansoddol yr asiant dargludol a'r asiant (cyfnod gludiog carbon);

(3) Mandwll, llenwch gyda'r electrolyt.

Mynegir perthynas cyfaint pob cam fel:

Mandylledd + ffracsiwn cyfaint deunydd byw + ffracsiwn cyfaint cyfnod gludiog carbon =1

Mae dyluniad dyluniad electrod batri lithiwm yn bwysig iawn, ac erbyn hyn mae'r wybodaeth sylfaenol am ddyluniad electrod batri lithiwm yn cael ei gyflwyno'n fyr.

(1) Cynhwysedd damcaniaethol y deunydd electrod Cynhwysedd damcaniaethol y deunydd electrod, hynny yw, y cynhwysedd a ddarperir gan yr holl ïonau lithiwm yn y deunydd sy'n ymwneud â'r adwaith electrocemegol, cyfrifir ei werth gan yr hafaliad canlynol:

Er enghraifft, y màs molar LiFePO4 yw 157.756 g/mol, a'i allu damcaniaethol yw:

Dim ond y cynhwysedd gram damcaniaethol yw'r gwerth cyfrifedig hwn. Er mwyn sicrhau strwythur cildroadwy y deunydd, mae'r cyfernod tynnu ïon lithiwm gwirioneddol yn llai nag 1, a chynhwysedd gram gwirioneddol y deunydd yw:

Cynhwysedd gram gwirioneddol y deunydd = cynhwysedd damcaniaethol cyfernod dad-blygio ïon lithiwm

(2) Cynhwysedd dylunio batri a dwysedd hynod unochrog Gellir cyfrifo capasiti dylunio batri yn ôl y fformiwla ganlynol: gallu dylunio batri = dwysedd wyneb cotio cymhareb deunydd gweithredol deunydd gweithredol gram gallu arwynebedd polyn cotio taflen

Yn eu plith, mae dwysedd wyneb y cotio yn baramedr dylunio allweddol. Pan nad yw'r dwysedd cywasgu yn newid, mae cynnydd y dwysedd arwyneb cotio yn golygu bod trwch y dalen polyn yn cynyddu, mae'r pellter trosglwyddo electron yn cynyddu, ac mae'r gwrthiant electronau yn cynyddu, ond mae'r cynnydd yn gyfyngedig. Yn y daflen electrod trwchus, cynnydd rhwystriant mudo ïonau lithiwm yn yr electrolyte yw'r prif reswm sy'n effeithio ar nodweddion y gymhareb. O ystyried y mandylledd a throellau mandwll, mae pellter mudo ïonau yn y mandwll lawer gwaith yn fwy na thrwch y daflen polyn.

(3) Diffinnir cymhareb y gymhareb capasiti negyddol-positif N / P capasiti negyddol i gapasiti positif fel:

Dylai N / P fod yn fwy na 1.0, yn gyffredinol 1.04 ~ 1.20, sydd yn bennaf yn y dyluniad diogelwch, i atal yr ïon lithiwm ochr negyddol rhag dyddodiad heb ffynhonnell dderbyn, dyluniad i ystyried gallu'r broses, megis gwyriad cotio. Fodd bynnag, pan fydd N / P yn rhy fawr, bydd y batri yn colli gallu di-droi'n-ôl, gan arwain at gapasiti batri isel a dwysedd ynni batri is.

Ar gyfer yr anod titanate lithiwm, mabwysiadir y dyluniad gormodol electrod positif, ac mae gallu'r batri yn cael ei bennu gan gapasiti'r anod titanate lithiwm. Mae'r dyluniad gormodol cadarnhaol yn ffafriol i wella perfformiad tymheredd uchel y batri: mae'r nwy tymheredd uchel yn bennaf yn dod o'r electrod negyddol. Yn y dyluniad gormodol cadarnhaol, mae'r potensial negyddol yn isel, ac mae'n haws ffurfio ffilm SEI ar wyneb titanate lithiwm.

(4) Dwysedd cywasgu a mandylledd y cotio Yn y broses gynhyrchu, cyfrifir dwysedd cywasgu cotio'r electrod batri gan y fformiwla ganlynol. O ystyried, pan fydd y daflen polyn yn cael ei rolio, bod y ffoil metel yn cael ei ymestyn, mae dwysedd wyneb y cotio ar ôl y rholer yn cael ei gyfrifo gan y fformiwla ganlynol.

Fel y soniwyd yn gynharach, mae'r cotio yn cynnwys cyfnod deunydd byw, cam gludiog carbon a mandwll, a gellir cyfrifo'r mandylledd gan yr hafaliad canlynol.

Yn eu plith, dwysedd cyfartalog y cotio yw: mae electrod batri lithiwm yn fath o ronynnau powdr o orchudd, oherwydd bod wyneb y gronynnau powdr yn garw, siâp afreolaidd, wrth gronni, gronynnau rhwng gronynnau a gronynnau, ac mae gan rai gronynnau ei hun graciau a mandyllau, felly cyfaint powdwr gan gynnwys cyfaint powdr, y mandyllau rhwng y gronynnau powdr a'r gronynnau, felly, yr amrywiaeth cyfatebol o ddwysedd cotio electrod a chynrychiolaeth mandylledd. Mae dwysedd y gronynnau powdr yn cyfeirio at fàs y powdr fesul uned gyfaint. Yn ôl cyfaint y powdr, caiff ei rannu'n dri math: gwir ddwysedd, dwysedd gronynnau a dwysedd cronni. Diffinnir y dwyseddau amrywiol fel a ganlyn:

1. Mae gwir ddwysedd yn cyfeirio at y dwysedd a geir trwy rannu'r màs powdr â'r cyfaint (cyfaint go iawn) heb gynnwys bylchau mewnol ac allanol y gronynnau. Hynny yw, dwysedd y mater ei hun a gafwyd ar ôl eithrio cyfaint yr holl wagleoedd.
2. Mae dwysedd gronynnau yn cyfeirio at ddwysedd y gronynnau a geir trwy rannu'r màs powdr wedi'i rannu â chyfaint y gronynnau gan gynnwys y twll agored a'r twll caeedig. Hynny yw, y bwlch rhwng y gronynnau, ond nid y mandyllau mân y tu mewn i'r gronynnau, dwysedd y gronynnau eu hunain.
3. Mae dwysedd cronni, hynny yw, dwysedd cotio, yn cyfeirio at y dwysedd a geir gan y màs powdr wedi'i rannu â chyfaint y cotio a ffurfiwyd gan y powdr. Mae'r cyfaint a ddefnyddir yn cynnwys mandyllau'r gronynnau eu hunain a'r bylchau rhwng y gronynnau.

Ar gyfer yr un powdr, gwir ddwysedd> dwysedd gronynnau> dwysedd pacio. Mandylledd y powdr yw cymhareb y mandyllau yn y cotio gronynnau powdr, hynny yw, cymhareb cyfaint y gwagle rhwng y gronynnau powdr a mandyllau'r gronynnau i gyfanswm cyfaint y cotio, a fynegir yn gyffredin fel canran. Mae mandylledd powdr yn eiddo cynhwysfawr sy'n ymwneud â morffoleg gronynnau, cyflwr wyneb, maint gronynnau a dosbarthiad maint gronynnau. Mae ei mandylledd yn effeithio'n uniongyrchol ar ymdreiddiad electrolyte a thrawsyriant ïon lithiwm. Yn gyffredinol, po fwyaf yw'r mandylledd, yr hawsaf yw'r ymdreiddiad electrolyte, a'r cyflymaf yw'r trosglwyddiad ïon lithiwm. Felly, wrth ddylunio batri lithiwm, weithiau i benderfynu ar y mandylledd, dull pwysau mercwri a ddefnyddir yn gyffredin, dull arsugniad nwy, ac ati Gellir ei gael hefyd trwy ddefnyddio'r cyfrifiad dwysedd. Gall y mandylledd hefyd gael goblygiadau gwahanol wrth ddefnyddio dwyseddau gwahanol ar gyfer y cyfrifiadau. Pan gyfrifir dwysedd mandylledd y sylwedd byw, yr asiant dargludol a'r rhwymwr yn ôl y gwir ddwysedd, mae'r mandylledd a gyfrifir yn cynnwys y bwlch rhwng y gronynnau a'r bwlch y tu mewn i'r gronynnau. Pan gyfrifir mandylledd y sylwedd byw, asiant dargludol a rhwymwr gan ddwysedd y gronynnau, mae'r mandylledd a gyfrifir yn cynnwys y bwlch rhwng y gronynnau, ond nid y bwlch y tu mewn i'r gronynnau. Felly, mae maint mandwll y daflen electrod batri lithiwm hefyd yn aml-raddfa, yn gyffredinol mae'r bwlch rhwng y gronynnau yn y maint graddfa micron, tra bod y bwlch y tu mewn i'r gronynnau yn y nanomedr i raddfa is-submicron. Mewn electrodau mandyllog, gellir mynegi perthynas priodweddau trafnidiaeth megis trylededd a dargludedd effeithiol gan yr hafaliad canlynol:

Lle mae D0 yn cynrychioli cyfradd trylediad (dargludiad) cynhenid ​​y deunydd ei hun, ε yw ffracsiwn cyfaint y cyfnod cyfatebol, a τ yw crymedd cylchog y cyfnod cyfatebol. Yn y model homogenaidd macrosgopig, defnyddir y berthynas Bruggeman yn gyffredinol, gan gymryd y cyfernod ɑ = 1.5 i amcangyfrif positifrwydd effeithiol yr electrodau mandyllog.

Mae'r electrolyte wedi'i lenwi ym mandyllau'r electrodau mandyllog, lle mae'r ïonau lithiwm yn cael eu cynnal trwy'r electrolyte, ac mae nodweddion dargludiad yr ïonau lithiwm yn perthyn yn agos i'r mandylledd. Po fwyaf yw'r mandylledd, yr uchaf yw ffracsiwn cyfaint y cyfnod electrolyte, a'r mwyaf yw dargludedd ïonau lithiwm yn effeithiol. Yn y daflen electrod positif, trosglwyddir electronau trwy'r cyfnod gludiog carbon, mae ffracsiwn cyfaint y cyfnod gludiog carbon a dargyfeiriad y cyfnod gludiog carbon yn pennu dargludedd effeithiol electronau yn uniongyrchol.

Mae mandylledd a ffracsiwn cyfaint y cyfnod gludiog carbon yn anghyson, ac mae'r mandylledd mawr yn anochel yn arwain at ffracsiwn cyfaint y cyfnod gludiog carbon, felly, mae priodweddau dargludiad effeithiol ïonau lithiwm ac electronau hefyd yn gwrth-ddweud ei gilydd, fel y dangosir yn Ffigur 2 Wrth i'r mandylledd leihau, mae dargludedd effeithiol ïon lithiwm yn lleihau tra bod dargludedd effeithiol yr electron yn cynyddu. Mae sut i gydbwyso'r ddau hefyd yn hanfodol yn y dyluniad electrod.

Ffigur 2 Diagram sgematig o fandylledd a dargludedd ïon lithiwm a electronau

2. Math a chanfod diffygion polyn

 

Ar hyn o bryd, yn y broses o baratoi polyn batri, mae mwy a mwy o dechnolegau canfod ar-lein yn cael eu mabwysiadu, er mwyn nodi diffygion gweithgynhyrchu cynhyrchion yn effeithiol, dileu cynhyrchion diffygiol, ac adborth amserol i'r llinell gynhyrchu, addasiadau awtomatig neu â llaw i'r cynhyrchiad. broses, i leihau'r gyfradd ddiffygiol.

Mae'r technolegau canfod ar-lein a ddefnyddir yn gyffredin mewn gweithgynhyrchu dalennau polyn yn cynnwys canfod nodweddion slyri, canfod ansawdd dalennau polyn, canfod dimensiwn ac yn y blaen, Er enghraifft: (1) gosodir y mesurydd gludedd ar-lein yn uniongyrchol yn y tanc storio cotio i ganfod y rheolegol nodweddion y slyri mewn amser real, Profwch sefydlogrwydd y slyri; (2) Defnyddio pelydr-X neu β -ray yn y broses cotio, Ei gywirdeb mesur uchel, Ond ymbelydredd mawr, pris uchel o drafferth offer a chynnal a chadw; (3) Mae technoleg mesur trwch laser ar-lein yn cael ei gymhwyso i fesur trwch y daflen polyn, Gall y cywirdeb mesur gyrraedd ± 1. 0 μ m, Gall hefyd arddangos y duedd newid o drwch a thrwch mesuredig mewn amser real, Hwyluso olrhain data a dadansoddi; (4) technoleg gweledigaeth CCD, Hynny yw, defnyddir yr arae llinell CCD i sganio'r gwrthrych wedi'i fesur, Prosesu delwedd amser real a dadansoddi categorïau diffygion, Gwireddu'r canfod ar-lein annistrywiol o ddiffygion wyneb y daflen polyn.

Fel offeryn ar gyfer rheoli ansawdd, mae technoleg profi ar-lein hefyd yn hanfodol i ddeall y gydberthynas rhwng diffygion a pherfformiad batri, er mwyn pennu'r meini prawf cymwys / diamod ar gyfer cynhyrchion lled-orffen.

Yn y rhan olaf, mae'r dull newydd o dechnoleg canfod diffygion wyneb batri lithiwm-ion, technoleg delweddu thermol isgoch a'r berthynas rhwng y gwahanol ddiffygion hyn a pherfformiad electrocemegol yn cael eu cyflwyno'n fyr.consult D. Mohanty Astudiaeth drylwyr gan Mohanty et al.

(1) Diffygion cyffredin ar wyneb y daflen polyn

Mae Ffigur 3 yn dangos y diffygion cyffredin ar wyneb yr electrod batri ïon lithiwm, gyda'r ddelwedd optegol ar y chwith a'r ddelwedd wedi'i chipio gan y delweddwr thermol ar y dde.

Ffigur 3 Diffygion cyffredin ar wyneb y daflen polyn: (a, b) amlen chwydd / agreg; (c, d) deunydd gollwng / twll pin; (d, f) corff tramor metel; (g, h) gorchudd anwastad

 

(A, b) chwydd / agreg wedi'i godi, gall diffygion o'r fath ddigwydd os yw'r slyri wedi'i droi'n gyfartal neu os yw'r cyflymder cotio yn ansefydlog. Mae cydgasglu asiantau dargludol gludiog a charbon du yn arwain at gynnwys isel o gynhwysion gweithredol a phwysau ysgafn tabledi pegynol.

 

(c, d) gollwng / twll pin, nid yw'r mannau diffygiol hyn wedi'u gorchuddio ac fel arfer yn cael eu cynhyrchu gan swigod yn y slyri. Maent yn lleihau faint o ddeunydd gweithredol ac yn amlygu'r casglwr i'r electrolyte, gan leihau'r gallu electrocemegol.

 

(E, f) cyrff tramor metel, slyri neu gyrff tramor metel a gyflwynir yn yr offer a'r amgylchedd, a gall cyrff tramor metel achosi niwed mawr i batris lithiwm. Mae gronynnau metel mawr yn amharu'n uniongyrchol ar y diaffram, gan arwain at gylched fer rhwng yr electrodau positif a negyddol, sef cylched byr corfforol. Yn ogystal, pan fydd y corff metel tramor yn cael ei gymysgu i'r electrod positif, mae'r potensial positif yn cynyddu ar ôl codi tâl, mae'r metel yn datrys, yn ymledu trwy'r electrolyte, ac yna'n gwaddodi ar yr wyneb negyddol, ac yn olaf yn tyllu'r diaffram, gan ffurfio cylched byr, sef cylched byr diddymu cemegol. Y cyrff tramor metel mwyaf cyffredin ar safle'r ffatri batri yw Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS, ac ati.

 

(g, h) nid yw cotio anwastad, megis y cymysgu slyri yn ddigonol, mae'r fineness gronynnau yn hawdd i ymddangos streipiau pan fydd y gronyn yn fawr, gan arwain at araen anwastad, a fydd yn effeithio ar gysondeb y capasiti batri, a hyd yn oed yn ymddangos yn gyfan gwbl dim streipen cotio, yn cael effaith ar allu a diogelwch.

(2) Technoleg canfod diffygion arwyneb sglodion polyn Defnyddir technoleg delweddu thermol is-goch (IR) i ganfod mân ddiffygion ar electrodau sych a all niweidio perfformiad batris lithiwm-ion. Yn ystod y canfod ar-lein, os canfyddir y diffyg electrod neu'r llygrydd, marciwch ef ar y daflen polyn, ei ddileu yn y broses ddilynol, a'i adborth i'r llinell gynhyrchu, ac addaswch y broses mewn pryd i ddileu'r diffygion. Mae pelydr isgoch yn fath o don electromagnetig sydd â'r un natur â thonnau radio a golau gweladwy. Defnyddir dyfais electronig arbennig i drosi dosbarthiad tymheredd arwyneb gwrthrych yn ddelwedd weladwy o'r llygad dynol, ac i arddangos dosbarthiad tymheredd wyneb gwrthrych mewn gwahanol liwiau gelwir yn dechnoleg delweddu thermol isgoch. Gelwir y ddyfais electronig hon yn ddelweddydd thermol isgoch. Mae pob gwrthrych uwchlaw sero absoliwt (-273 ℃) yn allyrru ymbelydredd isgoch.
Fel y dangosir yn Ffigur 4, mae'r brasamcanydd thermol is-goch (Camera IR) yn defnyddio'r synhwyrydd is-goch a'r amcan delweddu optegol i dderbyn patrwm dosbarthu ynni ymbelydredd isgoch y gwrthrych targed mesuredig a'i adlewyrchu ar elfen ffotosensitif y synhwyrydd isgoch i gael y delwedd thermol isgoch, sy'n cyfateb i'r maes dosbarthu thermol ar wyneb y gwrthrych. Pan fo diffyg ar wyneb gwrthrych, mae'r tymheredd yn symud yn yr ardal. Felly, gellir defnyddio'r dechnoleg hon hefyd i ganfod y diffygion ar wyneb y gwrthrych, yn arbennig o addas ar gyfer rhai diffygion na ellir eu gwahaniaethu trwy ddulliau canfod optegol. Pan ganfyddir electrod sychu batri ïon lithiwm ar-lein, mae'r electrod electrod yn cael ei arbelydru yn gyntaf gan y fflach, mae'r tymheredd arwyneb yn newid, ac yna mae tymheredd yr wyneb yn cael ei ganfod gyda delweddwr thermol. Mae delwedd y dosbarthiad gwres yn cael ei ddelweddu, ac mae'r ddelwedd yn cael ei phrosesu a'i dadansoddi mewn amser real i ganfod y diffygion arwyneb a'u marcio mewn amser.D. Mohanty Gosododd yr astudiaeth ddelweddydd thermol ar allfa'r popty sychu coater i ganfod delwedd dosbarthiad tymheredd arwyneb y ddalen electrod.

Mae Ffigur 5 (a) yn fap dosbarthiad tymheredd o wyneb cotio taflen polyn positif NMC a ganfyddir gan y delweddwr thermol, sy'n cynnwys diffyg bach iawn na ellir ei wahaniaethu gan y llygad noeth. Dangosir y gromlin dosbarthiad tymheredd sy'n cyfateb i'r segment llwybr yn y mewnosodiad mewnol, gyda pigyn tymheredd ar y pwynt diffyg. Yn Ffigur 5 (b), mae'r tymheredd yn cynyddu'n lleol yn y blwch cyfatebol, sy'n cyfateb i ddiffyg wyneb y daflen polyn. FFIG. Mae 6 yn ddiagram dosbarthiad tymheredd arwyneb o'r daflen electrod negyddol sy'n dangos bodolaeth diffygion, lle mae uchafbwynt y cynnydd mewn tymheredd yn cyfateb i'r swigen neu'r agreg, ac mae arwynebedd y gostyngiadau tymheredd yn cyfateb i'r twll pin neu'r gostyngiad.

Ffigur 5 Dosbarthiad tymheredd arwyneb y ddalen electrod positif

Ffigur 6 Dosbarthiad tymheredd arwyneb electrod negyddol

 

Gellir gweld bod y delweddu thermol canfod dosbarthiad tymheredd yn ffordd dda o ganfod diffygion wyneb dalen polyn, y gellir ei ddefnyddio ar gyfer rheoli ansawdd gweithgynhyrchu taflen polyn.3. Effaith diffygion wyneb dalen polyn ar berfformiad batri

 

(1) Effaith ar gapasiti lluosydd batri ac effeithlonrwydd Coulomb

Mae Ffigur 7 yn dangos cromlin dylanwad yr agreg a'r twll pin ar gapasiti lluosydd y batri ac effeithlonrwydd y cwlen. Gall y cyfanred wella gallu'r batri mewn gwirionedd, ond lleihau'r effeithlonrwydd coulen. Mae'r twll pin yn lleihau cynhwysedd batri ac effeithlonrwydd Kulun, ac mae effeithlonrwydd Kulun yn gostwng yn fawr ar gyfradd uchel.

Mae Ffigur 7 agregau catod ac effaith pinhole ar gapasiti'r batri ac effeithlonrwydd ffigur 8 yn cotio anwastad, a chorff tramor metel Co ac Al ar gapasiti'r batri ac effaith y gromlin effeithlonrwydd, cotio anwastad lleihau cynhwysedd màs uned batri 10% - 20%, ond gostyngodd gallu'r batri cyfan 60%, mae hyn yn dangos bod y màs byw yn y darn pegynol wedi lleihau'n sylweddol. Metal Co corff tramor llai o gapasiti ac effeithlonrwydd Coulomb, hyd yn oed mewn 2C a 5C chwyddo uchel, dim capasiti o gwbl, a allai fod oherwydd ffurfio Co metel yn yr adwaith electrocemegol o lithiwm a lithiwm gwreiddio, neu gall fod yn y gronynnau metel blocio y mandwll llengig a achosir cylched byr micro.

Ffigur 8 Effeithiau cotio anwastad electrod positif a chyrff tramor metel Co ac Al ar gapasiti lluosydd batri ac effeithlonrwydd coulen

Crynodeb o ddiffygion y ddalen catod: Mae'r ates yn y gorchudd taflen catod yn lleihau effeithlonrwydd Coulomb y batri. Mae twll pin y cotio positif yn lleihau effeithlonrwydd Coulomb, gan arwain at berfformiad lluosydd gwael, yn enwedig ar ddwysedd cyfredol uchel. Dangosodd y cotio heterogenaidd berfformiad chwyddo gwael. Gall llygryddion gronynnau metel achosi cylchedau micro-fyr, ac felly gallant leihau cynhwysedd y batri yn fawr.
Mae Ffigur 9 yn dangos effaith y stribed ffoil gollwng negyddol ar gapasiti lluosydd ac effeithlonrwydd Kulun y batri. Pan fydd y gollyngiad yn digwydd yn yr electrod negyddol, mae gallu'r batri yn cael ei leihau'n sylweddol, ond nid yw'r gallu gram yn amlwg, ac nid yw'r effaith ar effeithlonrwydd Kulun yn sylweddol.

 

Ffigur 9 Dylanwad stribed ffoil gollyngiadau electrod negyddol ar gapasiti lluosydd batri ac effeithlonrwydd Kulun (2) Dylanwad ar berfformiad cylch lluosydd batri Mae Ffigur 10 yn ganlyniad i ddylanwad y diffyg arwyneb electrod ar gylchred lluosydd batri. Mae canlyniadau'r dylanwad wedi'u crynhoi fel a ganlyn:
Agregu: ar 2C, y gyfradd cynnal a chadw capasiti o 200 o gylchoedd yw 70% ac mae'r batri diffygiol yn 12%, tra yn y cylch 5C, mae'r gyfradd cynnal a chadw capasiti o 200 o gylchoedd yn 50% ac mae'r batri diffygiol yn 14%.
Twll nodwydd: mae'r gwanhad cynhwysedd yn amlwg, ond nid oes unrhyw wanhau diffygion cyfanredol yn gyflym, ac mae'r gyfradd cynnal a chadw capasiti o 200 o gylchoedd 2C a 5C yn 47% a 40%, yn y drefn honno.
Corff tramor metel: mae cynhwysedd corff tramor metel Co bron i 0 ar ôl sawl cylch, ac mae gallu cylch 5C corff tramor metel Al ffoil yn gostwng yn sylweddol.
Stribed gollwng: Ar gyfer yr un ardal gollwng, mae cynhwysedd batri nifer o streipiau llai yn gostwng yn gyflymach na streipen fwy (47% ar gyfer 200 o gylchoedd mewn 5C) (7% ar gyfer 200 o gylchoedd yn 5C). Mae hyn yn dangos mai po fwyaf yw nifer y streipiau, y mwyaf yw'r effaith ar gylchred y batri.

Ffigur 10 Effaith diffygion arwyneb dalen electrod ar gylchred cyfradd celloedd

 

Cyf.: [1] Gwerthusiad annistrywiol o electrodau batri uwchradd lithiwm slot-de-coated gan ddefnyddio caliper laser mewn-lein a dulliau thermograffeg IR [J].DANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Effaith o ddiffygion gweithgynhyrchu electrod ar berfformiad electrocemegol batris oflithium-ion: Gwybyddiaeth o'r ffynonellau methiant batri [J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.