Phân tích độ nén và độ dẫn của sự phân bố kích thước hạt khác nhau đối với vật liệu LCO

Nguyên liệu thô của pin lithium-ion chủ yếu bao gồm vật liệu cực âm, vật liệu cực âm, bộ thu chất lỏng, chất điện phân và màng ngăn. Vật liệu điện cực dương và âm thường là vật liệu bột cấp micron, trong đó vật liệu bột catốt pin lithium-ion phổ biến là oxit lithium coban phân lớp, photphat sắt lithium cấu trúc olivine, cấu trúc oxit mangan lithium spinel và ternary niken-coban-mangan phân lớp nguyên vật liệu (sau đây gọi tắt là NCM). Ở đâu, nếu có, liti coban oxit (LiCoO₂, LCO) chiếm vị trí thống lĩnh trong pin điện tử dựa trên máy tính, truyền thông và tiêu dùng loại 3C, loại pin này có ưu điểm về mật độ năng lượng cao, nền tảng điện áp cao, dòng điện ổn định và quy trình sản xuất đơn giản. Hiện tại, nhu cầu về các sản phẩm điện tử di động nhẹ và thông minh trong thời gian dài hơn đã thúc đẩy sự phát triển của pin LCO và cải thiện hơn nữa mật độ năng lượng. Như trong Hình 1, lộ trình phát triển của pin axit lithium coban cho thấy.

Hình 1. Lộ trình phát triển full-cell LCO-Graphite^【1】

Quy trình sản xuất pin lithium ion trong quy trình sản xuất tấm cực là liên kết quan trọng nhất, Áp suất con lăn tấm cực cũng là một phần quy trình quan trọng trong quy trình sản xuất tấm cực, Áp suất con lăn tấm cực thường được bố trí sau quá trình sơn và sấy khô, Trước khi quá trình cắt phim, Sau khi tấm cực đi vào máy ép con lăn, Dưới tác động của lực, Dòng chảy, sắp xếp lại và nhúng các hạt hoạt động vào tấm cực, Khoảng cách giữa các hạt bị thay đổi, Quá trình ép con lăn tấm cực là quá trình sắp xếp lại và nén của bột, Bài báo này chủ yếu dựa trên bốn loại vật liệu bột L CO khác nhau, Kiểm tra điện trở suất, mật độ nén và đặc tính nén của bột dưới các áp suất khác nhau, Kết hợp với thử nghiệm SEM, Kích thước hạt,hình thái, mật độ và đặc tính nén của vật liệu bột L CO đã được phân tích.

1. Phương pháp kiểm tra

1.1 Kiểm tra hình thái SEM của bốn vật liệu.

1.2 Độ dẫn điện, mật độ nén và hiệu suất nén được kiểm tra bằng PRCD3100 (IEST) đối với bốn vật liệu LCO. Thiết bị thử nghiệm như trong Hình 2.  

Thông số kiểm tra: áp suất áp dụng trong phạm vi 10-200MPa, khoảng 20MPa, giữ áp suất trong 10 giây;

Hình 2. (a) Sơ đồ Hình thức PRCD3100; (b) Sơ đồ cấu trúc PRCD3100

2. Kết quả kiểm tra

2.1 Kết quả kiểm tra SEM

Bốn vật liệu bột L CO đã được thử nghiệm không áp suất bằng SEM, Hình 3 cho thấy kết quả của các thử nghiệm S EM đối với bốn vật liệu: L CO-1, L CO-2, L CO-3 và L CO-4, Nó có thể Từ hình có thể thấy rằng sự phân bố hạt và kích thước hạt của bốn vật liệu rõ ràng là khác nhau. Trong số đó, L CO-1 chứa các mẫu có nhiều kích thước hạt trong khoảng 30 m-5 m, L CO-2 chứa bột trong khoảng khoảng 15 m-5 m, Mẫu L CO-3 chứa bột trong khoảng khoảng 45 m-10 m, L CO-4 chủ yếu là dạng hạt nhỏ kích thước khoảng 5 m; Sự khác biệt về phân bố kích thước hạt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu ứng lấp đầy của bột trong quá trình nén, Nó được kết nối chặt chẽ với mật độ nén, độ dẫn điện tử và đặc tính nén giữa các vật liệu.

Hình3 . Địa hình SEM của bốn vật liệu LCO

2.2 Kết quả kiểm tra hiệu suất nén

Hiệu suất nén của vật liệu bột có liên quan đến hình dạng hạt, kích thước hạt và sự phân bố. Dưới tác động của áp suất, biến dạng bột tổng thể là biến dạng không thể đảo ngược chính; biến dạng đàn hồi của hạt và ứng suất. Khi áp suất vượt quá cường độ năng suất của vật liệu bột, đó cũng là biến dạng không thể đảo ngược. Trên thực tế, quá trình nén hạt bột là đa trọng lực, và ứng suất cũng là một quá trình thay đổi toàn diện.

Bảng 1. Tóm tắt Dữ liệu Biến đổi Hình dạng cho Bốn Vật liệu LCO

Hình 4 Đường cong ứng suất và biến dạng trong quá trình giảm áp suất của bốn vật liệu LCO

Trong thí nghiệm này, khi áp suất đạt đến 200MP a, áp suất dần dần được giảm tải để thu được các đường cong ứng suất và biến dạng của bốn vật liệu L CO2, như trong Hình 4. Biến dạng thuận nghịch cũng được tính bằng hiệu giữa biến dạng tối đa ( được hiển thị trong phần ❶) và biến dạng không thể đảo ngược (được hiển thị trong phần ❷), Dữ liệu cụ thể được hiển thị trong Bảng 1, Từ bảng có thể thấy rằng kích thước biến dạng giống như hình dạng có thể đảo ngược của nó, L CO-4>LCO-2>LCO-1>LCO-3, Phân tích so sánh kết hợp với kết quả thử nghiệm S EM cho thấy, Đối với sự phân bố kích thước hạt của bốn vật liệu, Tỷ lệ hạt kích thước nhỏ cũng cho thấy xu hướng LCO-4>LCO-2>LCO-1>LCO-3, Phân tích toàn diện có thể là đối với cùng một vật liệu, Khi kích thước hạt nhỏ, vật liệu có diện tích tiếp xúc nhiều hơn, Dễ bị biến dạng thuận nghịch đàn hồi hơn; Để xác định thêm khả năng này, Phân tích từ góc độ khối lượng lấy mẫu và nhiều thí nghiệm với các thiết bị khác nhau, Xu hướng biến dạng thuận nghịch của cả bốn vật liệu là L CO-4>LCO-2>LCO-1>LCO-3; Đối với sự tương phản của biến dạng tối đa và biến dạng không thể đảo ngược của bốn vật liệu, Kích thước lấy mẫu và điều kiện thử nghiệm khác nhau sẽ khác nhau, Điều này có thể liên quan đến sự khác biệt trong lấy mẫu và sự khác biệt trong hiệu ứng làm đầy.

3 2. Kết quả kiểm tra mật độ nén và độ dẫn điện

Nghiên cứu vật liệu bột cho thấy cùng một loại vật liệu, kích thước hạt đơn lẻ, hình dạng bột tương tự nhau, kích thước hạt lớn sẽ dẫn đến diện tích tiếp xúc nhỏ, tương tác giữa các hạt nhỏ (vướng cơ học và ma sát), tính linh động tốt, dễ hình thành tích tụ gần nhất trạng thái, do đó mật độ lấp đầy, độ xốp nhỏ, dưới áp suất, khoảng cách hạt chiếm thể tích nhỏ, dễ dàng đạt được mật độ nén tương đối lớn. Tuy nhiên, bột thực tế có sự phân bố kích thước hạt liên tục thực tế, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu ứng làm đầy. Các mẫu bột có phân bố kích thước hạt khác nhau có thể chảy và sắp xếp lại dưới áp suất, và bột có kích thước hạt lớn có thể tạo thành nhiều khoảng trống hơn, trong khi các hạt nhỏ có thể được lấp đầy vào khoảng trống, dẫn đến mật độ nén lớn và tỷ lệ khoảng trống nhỏ. 

Hình 5 cho thấy kết quả xác định mật độ nén của bốn vật liệu L CO, trong đó kích thước mật độ nén tương phản với L CO-3>LCO> 1>LCO-2>LCO-4. Kết hợp với kết quả thử nghiệm S EM cho thấy, So với mẫu L CO-4 có kích thước hạt đơn và hạt nhỏ hơn, 3 mẫu còn lại có kích thước hạt tương đối lớn và phân bố nhiều kích thước hạt đều có độ nén tương đối cao mật độ, Điều này cho thấy lực tương tác giữa các hạt nhỏ tương đối lớn, Khó sắp xếp lại dòng chảy của các hạt, Tạo thành độ xốp cao hơn, Mật độ nén thấp; So sánh ba vật liệu: L CO-1, L CO-2 và L CO-3, Kích thước hạt (L CO-3>LCO-1>LCO-2) và sự khác biệt về phân bố của nó cũng có thể là một trong những yếu tố chính dẫn đến sự khác biệt về mật độ nén, Flders có kích thước hạt rộng có nhiều khả năng hình thành các khối chặt, Bột nhỏ lấp đầy khoảng trống giữa các hạt lớn, Mật độ nén cuối cùng là cao hơn. Nếu không xét đến sự biến dạng của bản thân các hạt trước thì quá trình nén chặt của các hạt bột là quá trình trong đó bột tích tụ đậm đặc nhất từ ​​trạng thái rời dưới tác dụng của áp suất. 

Theo nguyên tắc đóng gói nhỏ gọn nhất, khi các hạt hình cầu có bán kính R được đóng gói theo cách nhỏ gọn nhất, tất cả các hạt tiếp xúc với nhau, độ xốp lý thuyết hình thành giữa các hạt là 25,94% và lỗ chân lông giữa các hạt sơ cấp có bán kính R có thể lấp đầy bán kính hạt thứ cấp là 0,414R. Sau khi tất cả các lỗ rỗng được lấp đầy bởi các hạt thứ cấp, độ xốp là 20,70%. Bán kính hạt tối đa có thể được nạp lại trong lỗ rỗng là 0,225R, hạt lập phương là 0,177R và 0,116R, tương ứng với độ xốp lý thuyết là 19%, 15,8% và 14,9%.

Hình 5 Kết quả kiểm tra mật độ nén cho bốn vật liệu LCO

Đối với độ dẫn điện tử của vật liệu bột, khả năng kết nối và tiếp xúc nhiều hơn giữa các hạt bột, đối với hầu hết các vật liệu L CO, và kết nối giữa các hạt bột và tiếp xúc với kích thước hạt và phân bố kích thước cũng có liên quan, như đã đề cập trong phân tích mật độ nén, đối với các mẫu bột có cùng kích thước hạt thích tiếp xúc điểm, bề mặt tiếp xúc tổng thể, các hạt nhỏ hơn là bề mặt tiếp xúc; hiệu ứng làm đầy tương tự, cũng có thể ảnh hưởng đến sự thay đổi độ dẫn điện. 

Hình 6 cho thấy kết quả kiểm tra độ dẫn điện của bốn vật liệu bột L CO, Kết quả so sánh điện trở suất cho thấy L CO-1 có độ dẫn điện tốt nhất, L CO-3 có độ dẫn điện kém nhất, L CO-2 và L CO-2 dưới áp suất nhỏ L CO-2 và L CO-4, L CO-4 < L CO-2 dưới áp suất cao, Loại trừ ảnh hưởng của sự khác biệt về độ dẫn điện của các hạt bột có kích thước hạt khác nhau, Sự khác biệt này có thể chủ yếu là do nhìn chung, sự phân bố kích thước hạt khác nhau, Sự phân bố kích thước hạt rộng của các mẫu LCO-1 dẫn điện, Có thể đạt được mức độ lấp đầy lớn, Sự tiếp xúc tổng thể giữa các hạt mẫu tốt hơn, Độ dẫn điện tốt nhất.

Tuy nhiên, đối với các mẫu LCO-3 dẫn điện nhất có độ dẫn điện kém nhất, chúng có kích thước hạt tổng thể lớn và phân bố kích thước hạt hẹp, tiếp xúc tổng thể với các hạt kém, do đó dẫn đến độ dẫn điện tử kém. Tương tự, đối với các mẫu L CO-2 và LCO-4, dưới áp suất thấp, chủ yếu là do sự tiếp xúc giữa các hạt mẫu, kích thước tổng thể của các mẫu LCO-4 cho thấy độ dẫn điện tốt và khi áp suất tăng, các hạt LCO-2 có hiệu ứng lấp đầy, nhận ra các hạt nhỏ giữa các hạt lớn và độ dẫn điện lớn hơn L CO-4, nhưng sự khác biệt tổng thể không lớn.

Hình 6 Đường cong kiểm tra độ dẫn điện của bốn vật liệu LCO

Tổng hợp

Trong bài báo này, PRCD3100 kiểm tra độ dẫn điện, mật độ nén và hiệu suất nén của bốn loại vật liệu L CO, kết hợp với sự khác biệt về phân bố kích thước hạt SEM của vật liệu, đánh giá sơ bộ mối liên hệ có thể có giữa sự khác biệt về phân bố kích thước hạt và độ dẫn, nén và nén của vật liệu hiệu suất, cung cấp một ý tưởng và hướng mới để phân tích và đánh giá sự khác biệt về vật chất.

Tài liệu tham khảo

[1] Kai W , Jw A , Yx A , et al. Những tiến bộ gần đây và lịch sử phát triển của vật liệu oxit lithium coban điện áp cao cho pin Li-ion có thể sạc lại[J]. Tạp chí Nguồn điện, 460.

[2] Park M , Zhang X , Chung M , et al.Đánh giá hiện tượng dẫn điện trong pin Li-ion[J].Journal of Power Sources, 2010, 195(24):7904-7929.

[3] Dương Thiếu Bân, Lương Chính. Quy trình sản xuất nguyên tắc và ứng dụng của pin lithium-ion.