Độ phồng của cực dương silicon có thể được đánh giá nhanh chóng mà không cần chế tạo pin

Vật liệu điện cực âm silicon (Si), với ưu điểm độc đáo là dung lượng lý thuyết cao (4200mAh/g) và nguồn tài nguyên phong phú, được kỳ vọng sẽ thay thế các điện cực âm than chì được sử dụng rộng rãi và trở thành vật liệu điện cực âm chính cho thế hệ pin lithium-ion tiếp theo . Các cực dương dựa trên silicon hứa hẹn nhất để thương mại hóa quy mô lớn là cực dương silicon-cacbon và cực dương silicon-oxy, cả hai đều có công suất riêng cao. Tuy nhiên, do cơ chế hợp kim hóa và khử hợp kim của silicon, hiện tượng sưng cấu trúc đáng kể do nó gây ra có thể làm hỏng giao diện chất điện phân rắn (SEI) có sẵn trên bề mặt vật liệu silicon. Điều này dẫn đến việc màng SEI bị phá hủy và tái tạo liên tục trong quá trình đạp xe, tiêu tốn một lượng lớn chất điện phân, và cuối cùng dẫn đến giảm dung lượng pin nhanh chóng. ² Do đó,đánh giáhiệu suất của vật liệu silicon,ngoàicáccông suất cụ thể, hiệu quả ban đầu và hiệu quả chu kỳ, việc đánh giá hiệu suất của nósưng tấyhiệu suất cũng rất quan trọng.

Các phương pháp đánh giá hiện cósưng tấyhiệu suất yêu cầu vật liệu điện cực âm silicon phải được chuẩn bị thành một tế bào túi hoặc tế bào xếp chồng lên nhau, và sau đó được theo dõi tại chỗsưng tấysử dụng các cấu trúc lực và cảm biến có độ chính xác cao (chẳng hạn như SWE của IESTsưng tấyloạt). Tuy nhiên, quá trình chuẩn bị từ nguyên liệu bột đến tế bào thành phẩm không chỉ đòi hỏi một dây chuyền sản xuất tế bào trưởng thành mà còn có một chu kỳ đánh giá dài. Vì vậy, làm thế nào để đánh giá nhanhsưng tấyhiệu suất của vật liệu silicon đã trở thành một bài toán khó đối với nhiều nhà nghiên cứu vật liệu.

IEST gần đây đã phát triển một hệ thống sàng lọc nhanh tại chỗ bốn kênh cho điện cực âm dựa trên silicon (như trong Hình 1). Học được từ chế độ lắp ráp của pin đồng xu, nó đã đạt được thành công phép đo trực tiếp củasưng tấyhiệu suất của các điện cực âm silicon ở đầu điện cực. Hệ thống này giúp loại bỏ chi phí nhân lực, vật liệu và thời gian cần thiết để chuẩn bị các tế bào pin thành phẩm và đánh giá chính xác các chỉ số hiệu suất quan trọng nhất của vật liệu điện cực âm silicon với mức tiêu thụ tối thiểu và hiệu quả tối đa, cho phép bạn đi đầu trong nghiên cứu và phát triển. Ngoài ra, thiết bị này cũng tương thích với thông thườngsưng tấythử nghiệm quy mô nhỏtế bào túivà các ô pin xếp chồng lên nhau (100*100mm), thực sự đạt được mục đích sử dụng đa năng.

Hình 1. Cực dương dựa trên siliconsưng tấyhệ thống sàng lọc nhanh tại chỗ (bốn kênh)

1.Sgiếng nướcThử nghiệm các vật liệu carbon silic khác nhau

1.1 Thông tin về mẫu thử nghiệm

Điện cực dương:NCM811,được cắt thành hình đĩa đường kính 14mm.

Điện cực âm:B, C và D có cùng dung lượng (~5.9mAh) nhưng cách thức sửa đổi khác nhau,được cắt thành hình đĩa đường kính 16mm(Vật liệu B được sửa đổi đặc biệt bởi một công ty vật liệu pin ở vật liệu silicon-carbon có độ giãn nở thấp ở Ninh Ba, trong khi C và D là hai vật liệu silicon-carbon phổ biến trên thị trường).

chất điện phân:chất điện phân thương mại.

dấu phân cách: Máy tách PP, được cắt thành dạng đĩa đường kính 18mm.

1.2 Thông tin và Quy trình Kiểm tra

Bảng 1. Quy trình nạp và xả

1.3 Phân tích Kết quả Sưng

Trong hộp găng tay, ba vật liệu silicon-carbon được lắp ráp thành một ô tiền xu pin đầy (điện cực dương sử dụng cùng một vật liệu NCM để đảm bảo nguyên tắc biến đơn) và nhanh chóngsưng tấythử nghiệm đã được thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống sàng lọc nhanh mở rộng điện cực âm tại chỗ dựa trên silicon của IEST Technology và kết quả được thể hiện trong Hình 2. Trước hết, ba vật liệu silicon-cacbon đều giãn nở khi sạc và co lại khi phóng điện,phù hợp với sự sưng lên của sự xen kẽ ion lithiumkhi điện cực âm được tích điện, vàsự co lại của quá trình khử xen kẽ ion lithiumtrong thời gian xuất viện. Do đó, mặc dù chúng tôi đã lắp ráp một bộ pin đầy đủ, nhưng tổng thểsưng tấyhành vi của pin vẫn bị chi phối bởi điện cực âm, trong khisưng tấyvà sự co lại của điện cực dương nhỏ hơn nhiều so với điện cực âm³. Thứ hai, các điểm uốn củasưng tấycác đường cong của ba cũng rất phù hợp với các điểm uốn của đường cong điện tích và phóng điện, cho thấy rằngsưng tấycác đường cong có thể phản ánh hành vi giãn nở và co lại trong pin lithium-ionquá trình khử xen kẽ.

Đồng thời, cáctế bào tiền xu mô hình sưng tấyphương pháp đánh giá cũng có thể đánh giá hiệu quả cácsưng tấysự khác biệt giữa các vật liệu silicon-carbon khác nhau. Có thể thấy rõ từ Hình 2 rằng trong cùng một dải điện áp hoạt động, tổng thểsưng tấycủa vật liệu silic-cacbon loại B nhỏ hơn nhiều so với hai loại vật liệu silic-cacbon còn lại, cho thấy rằng phương pháp xử lý sửa đổi đặc biệt có thể ức chế rất nhiều sự phát triển của điện cực âm silic-cacbon. Sgiếng nước, do đó làm giảm một loạt các phản ứng phụ gây ra bởisưng tấy, và cuối cùng là cải thiện hiệu suất chu kỳ của vật liệu. Ngoài ra, Bảng 2 và Bảng 3 tương ứng đếmsưng tấyđộ dày vàsưng tấydữ liệu tốc độ của ba vật liệu silicon-carbon, từ đó có thể thấy rằng: (1) Độ giãn nở của ba vật liệu silicon-carbon trong lần sạc đầu tiên sẽ cao hơn so với lần xả đầu tiên và hai chu kỳ cuối cùngsưng tấyphí và xả lớn hơn nhiều, và có một số lượng không thể đảo ngượcsưng tấytrong chu kỳ sạc và xả đầu tiên. Điều này là do điện cực âm sẽ tạo ra màng SEI và tạo ra một số chất không thể đảo ngượcsưng tấytrên bề mặt của các hạt hoạt động ngoài sự xen kẽ lithiumsưng tấytrong lần sạc đầu tiên. (2) So sánh cácsưng tấydữ liệu của hai chu kỳ sạc và xả cuối cùng, có thể thấy rằng mức trung bìnhsưng tấyđộ dày của vật liệu silicon-carbon loại B sau khi sửa đổi chỉ là ~ 4,2μm vàsưng tấytỷ lệ là ~8,9%, trong khi vật liệu loại C và D Trung bìnhsưng tấycủa vật liệu loại B là 3,7 lần và 5 lần so với vật liệu loại B,tương ứngrằngsưng tấyhiệu ứng sửa đổi của vật liệu loại B là rất rõ ràng.

Hình 2. Sử dụng pin mô hình để đánh giá nhanh sự thay đổi độ dày phồng của 3 vật liệu silicon-carbon khác nhau trong 3 chu kỳ sạc và xả, trong đó đường chấm chấm là đường cong điện áp theo thời gian và đường liền nét là đường cong thay đổi độ dày phồng theo thời gian.

Bảng 2. Độ dày trương nở của ba vật liệu carbon silic trên mỗi chu kỳ sạc và xả

Bảng 3. Tỷ lệ trương nở của ba vật liệu silicon carbon trên mỗi chu kỳ sạc và xả

2. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử của các vật liệu Sic khác nhau

Ngoài ra, để so sánh cácsưng tấycủa miếng cực được đo bằng nút mô hình với kết quả đo độ dày thủ công, chúng tôi đã tháo rời miếng cực silicon carbon được lấp đầy, đồng thời quan sát và so sánh mặt cắt ngang của miếng cực dưới kính hiển vi điện tử quét. Độ dày được đo và kết quả được hiển thị trong Hình 3. Sau khi trừ đi độ dày của lá đồng, độ dày lớp phủ của miếng cực carbon silicon Loại B mở rộng từ ~50,81 μm lên ~55,45 μm sau khi được sạc đầy và tổngsưng tấylà ~4,64 μm, giống như mức trung bìnhsưng tấyđộ dày được đo bằng cách sử dụng khóa mô hình. rất gần. Ngoài ra, đối với vật liệu silicon-cacbon C và D, độ dày lớp phủ mở rộng lần lượt là ~11,98 μm và ~14,65 μm sau khi đổ đầy, giống nhưsưng tấydữ liệu của hai chu kỳ gần nhất trong Bảng 2. Tóm lại, bất kể mô hình được sử dụng để theo dõi tại chỗ hay mảnh cực được tháo rời để quan sát bằng kính hiển vi điện tử,sưng tấyxu hướng của ba vật liệu silicon-carbon là nhất quán, nghĩa là D>C>b.

Hình 3. Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét mặt cắt ngang của ba miếng cực silicon carbon trước khi được sạc đầy (Fresh) và sau khi được sạc đầy (Full Charged). Trong số đó, (ab) là hình ảnh hiển vi điện tử của vật liệu silic-cacbon loại B; (cd) là hình ảnh hiển vi điện tử của vật liệu silic-cacbon loại C; (ef) là hình ảnh hiển vi điện tử của vật liệu silic-cacbon loại D.

3. Tóm tắt

Trong bài báo này, thử nghiệm giãn nở nhanh của ba vật liệu silicon-carbon với các điều kiện biến tính khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng điện cực âm dựa trên silicon IESTsưng tấyhệ thống sàng lọc nhanh tại chỗ. Các điện cực âm carbon ba silicon không cần phải chuẩn bị thành các gói mềm hoặc tế bào nhiều lớp mà chỉ cần được lắp ráp thành một loại pin cúc áo mô hình để kiểm tra trực tiếpsưng tấyđộ dày của tấm điện cực âm carbon carbon tại chỗ, không chỉ giúp tiết kiệm việc chuẩn bị các tế bào thành phẩm. Các bước rườm rà cũng cải thiện đáng kể hiệu quả củasưng tấyđánh giá vật liệu dựa trên silicon. Có thể thấy từ kết quả thử nghiệm tại chỗ của khóa mô hình,sưng tấycủa vật liệu silicon-carbon loại B sau khi sửa đổi đặc biệt nhỏ hơn nhiều so với vật liệu silicon-carbon loại C và D phổ biến trên thị trường. Đồng thời, chúng tôi cũng tháo rời mảnh cực đã tích điện và quan sát bằng kính hiển vi điện tử. Kết quả quan sát cho thấy xu hướng tương tự như thử nghiệm tại chỗ của khóa mô hình, đó là,sưng tấycủa vật liệu silicon-carbon loại B là nhỏ nhất trong số ba loại, cho thấy rằng IEST Điện cực âm dựa trên siliconsưng tấyhệ thống sàng lọc nhanh tại chỗ có thể trực tiếp đánh giásưng tấyhiệu suất của vật liệu ở đầu điện cực, đánh giá chính xác các chỉ số hiệu suất quan trọng nhất của điện cực âm silicon với mức tiêu thụ nhỏ nhất và hiệu quả nhanh nhất, đồng thời giúp quá trình nghiên cứu và phát triển của bạn nhanh hơn một bước!

4. Tài liệu tham khảo

[1] M. Ashuri, QR He và LL Shaw, Silicon như một vật liệu cực dương tiềm năng cho pin Li-ion: vấn đề về kích thước, hình học và cấu trúc. Kích thước nano 8 (2016) 74–103.

[2] XH Shen, RJ Rui, ZY Tian, ​​DP Zhang, GL Cao và L. Shao, Phát triển vật liệu cực dương hỗn hợp silicon/carbon cho pin lithium-ion. J. Chín. Kem. Sóc. 45 (2017) 1530-1538.

[3] R. Koerver, WB Zhang, L. Biasi, S. Schweidler, A. Kondrakov, S. Kolling, T. Brezesinski, P. Hartmann, W. Zeier và J. Janek, Sự giãn nở cơ học của vật liệu điện cực lithium - trên lộ trình tới pin thể rắn hoàn toàn được tối ưu hóa về mặt cơ học. Năng lượng. môi trường. Khoa học. 11 (2018) 2142-2158.