Phân tích định tính và định lượng khí nạp quá mức tại chỗ- phụ gia chống nạp quá mức

Khi pin lithium-ion được sạc quá mức, có quá nhiều ion lithium thoát ra khỏi vật liệu cực âm, điện áp và nhiệt độ của pin tăng nhanh, giải phóng một lượng lớn oxy và nhiệt. Khi đạt đến một điện thế nhất định, chất điện phân sẽ trải qua quá trình phân hủy oxy hóa, phản ứng hóa học dữ dội, tạo ra một lượng nhiệt lớn và sau đó có thể gây nguy hiểm. Chất điện phân chống phụ gia sạc quá mức, có thể cảnh báo sớm hành vi sạc quá mức của pin, ngăn chặn sự hỏng hóc của các vật liệu hoạt động, bao gồm biphenyl (BP) như một loại polyme điện chống lại phụ gia sạc quá mức, có thể được sạc trong pin đến trên 4,5V, tạo thành một lớp màng polyme, tạo ra lượng khí lớn, tăng khả năng chống ắc quy, chức năng cảnh báo sớm tình trạng ắc quy quá tải.

Trong bài báo này, máy theo dõi thể tích tại chỗ (GVM) đã được sử dụng để kiểm tra tế bào NCM523 / than chì (dung lượng lý thuyết là 1000mAh) của hệ thống điện phân với các hàm lượng HA khác nhau và hành vi sản xuất khí của tế bào đã được phân tích tương đối và ảnh hưởng của việc bổ sung HA đến thành phần sản xuất khí được phân tích theo sắc ký khí (GC).

Hình 1. Sơ đồ hoạt động tạo khí của quá trình phân hủy chất điện phân khác nhau và phản ứng trùng hợp điện hóa của BP

Thiết bị thí nghiệm và phương pháp thử nghiệm

1. Thiết bị thí nghiệm: model GVM2200 , phạm vi nhiệt độ kiểm tra từ 20℃~85℃, hỗ trợ kiểm tra đồng bộ kênh đôi (2 ô), bề ngoài của thiết bị như trong Hình 2.

Hình 2 . Sơ đồ ngoại hình thiết bị GVM2200

2. Thông số kiểm tra: 25℃, 1C CC đến 5V.

3. Phương pháp thử: ban đầu cân tế bào m₀, đặt ô cần kiểm tra vào kênh tương ứng của thiết bị, mở phần mềm MISG, đặt số ô tương ứng và các tham số tần số lấy mẫu của từng kênh và phần mềm sẽ tự động đọc thay đổi âm lượng, nhiệt độ kiểm tra, dòng điện, điện áp, công suất và dữ liệu khác. Thử nghiệm thành phần khí sử dụng thiết bị sắc ký khí GC-2014C, loại bỏ 1mL khí khỏi tế bào nạp quá mức trong hộp đựng găng tay và thử nghiệm các loại nồng độ khí khác nhau bằng cách sử dụng máy dò TCD và FID tương ứng. Các loại khí có thể đo lường được thể hiện trong Hình 3.

Hình 3. Thành phần khí có thể kiểm tra được của đầu dò FID và TCD

Phân tích khí nạp quá mức tại chỗ

1. Phân tích Đường cong Sạc và Xả và Đường cong Thay đổi Âm lượng

Sự thay đổi âm lượng và điện áp của tế bào được thể hiện trong Hình 4 (a) và (b), và hàm lượng HA trong chất điện phân lần lượt là 0%, 1%, 2%, 3% và 5%. Từ đường cong có thể thấy rằng, với sự gia tăng hàm lượng chất phụ gia, sự thay đổi thể tích của tế bào ngày càng lớn hơn, cho thấy tế bào bị trương lên do phản ứng sinh khí của chất phụ gia. Khi hàm lượng chất phụ gia đạt 5%, có thể thấy từ đường cong điện áp rằng điện áp tế bào khó đạt đến giới hạn trên 5V. Lúc này, chất phụ gia của điện cực dương NCM lần đầu tiên xảy ra phản ứng trùng hợp điện hóa, tạo thành một lớp lắng đọng polymer trên bề mặt hạt, sau đó lớp lắng đọng lớn dần theo phản ứng liên tục của chất phụ gia trong chất điện phân. 

Khi tiếp tục sạc quá mức, một lượng lớn cặn polyme tích tụ và xâm nhập vào màng ngăn, cuối cùng tạo thành kết nối trực tiếp giữa hai điện cực. Do các sản phẩm trùng hợp của biphenyl (chẳng hạn như poly (biphenyl)) có tính dẫn điện, nên cầu dẫn điện được hình thành bởi trầm tích trùng hợp ở hai điện cực sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong pin, tiếp tục tiêu thụ dòng điện sạc, do đó ngăn chặn điện áp pin ngoài tầm kiểm soát và điện áp không thể đạt tới 5V. Quá trình ngắn mạch bên trong do sự tăng trưởng của chất điện phân gây ra là một quá trình chậm và chỉ xảy ra trên một số phần của bề mặt hạt, quá trình này tạo ra sự tự phóng điện vừa phải để tự động xả pin về trạng thái an toàn và quá trình này không gây ra sự thoát nhiệt mạnh của pin.

Đối với phân tích tiềm năng tổng khí và khí bắt đầu của tế bào, khi không có HA, điểm bắt đầu của khí tế bào gần bằng 5V, điện áp quá tải, có khả năng gây ra sự phá hủy cấu trúc vật liệu catốt và sau HA, quá trình sản xuất khí của tế bào điện áp trong khoảng 4,5 ~ 4,6V, đây là dải điện áp của HA và với sự gia tăng nồng độ HA, tổng sản lượng tế bào cũng tăng từ khoảng 2mL lên khoảng 10mL, có thể kết hợp với van an toàn chống cháy nổ để đạt được hiệu quả cảnh báo sớm.

Hình 4. Sự thay đổi điện tích-xả và thể tích của các lượng HA khác nhau

2. Phân tích thành phần sản xuất khí của pin

Sau khi các tế bào khí được nạp quá mức, 1mL khí, phân tích định tính khí, như trong hình 5, chúng tôi thấy rằng với sự gia tăng nồng độ BP của khí, nồng độ mêtan CH4 giảm dần và nồng độ hydro H2 tăng dần, các thành phần khác chẳng hạn như oxy O2, ethylene C2H4, carbon monoxide CO không có xu hướng thay đổi rõ ràng.

Hơn nữa, kết hợp với phân tích cơ chế phản ứng, BP biphenyl (BP) như một loại trùng hợp điện chống lại quá tải phụ gia, trong pin sạc trên 4,5V, các phân tử monome trong chất điện phân bị oxy hóa thành các ion gốc, các ion gốc này thậm chí còn tổng hợp polymer trong chất điện phân , và lắng đọng ở cực dương và gần bề mặt màng ngăn dương, cách ly điện cực, tăng điện trở của ắc quy, đồng thời sẽ kèm theo một lượng lớn hydro giải phóng, dẫn đến khí trong tế bào, chức năng cảnh báo sớm tình trạng quá tải của ắc quy.

Hình 5. Sự thay đổi nồng độ metan và hydro trong khí tế bào với các hàm lượng phụ gia khác nhau

tóm tắt

Bài báo này sử dụng thiết bị giám sát thể tích sản xuất khí tại chỗ hai kênh có nhiệt độ có thể kiểm soát và kết hợp với sắc ký khí, phân tích định tính và định lượng hành vi khí BP phụ gia nạp quá mức, không chỉ cung cấp hàm lượng khác nhau của tiềm năng khí điện phân BP, và đã chứng minh rằng chất phụ gia đang trong quá trình sạc quá mức tạo ra rất nhiều hydro làm cho tế bào trở thành khí, do đó có thể nhận ra chức năng cảnh báo sớm quá tải tế bào.