Ảnh hưởng của áp suất lăn đến độ nén và độ dẫn điện của điện cực
Trong bối cảnh xã hội hiện đại bền vững và các mục tiêu khí hậu, công nghệ lưu trữ năng lượng pin đã trở thành một hướng quan trọng cho sự chuyển đổi của ngành công nghiệp ô tô toàn cầu và sự tăng trưởng bền vững của nền kinh tế toàn cầu. Pin lithium-ion (LIB) đã trở thành một trong những giải pháp lưu trữ năng lượng chính trong thị trường tiêu dùng, năng lượng và lưu trữ năng lượng do vòng đời dài và hiệu suất cao. Hiện tại, vẫn còn những thách thức trong việc giảm chi phí sản xuất, cải thiện hiệu suất và độ bền của pin lithium-ion. Do đó, việc hiểu sâu về tác động của quy trình sản xuất đối với pin và đánh giá các nhu cầu đặc biệt của quy trình sản xuất là rất quan trọng. Xu hướng và hướng đi trong tương lai không chỉ phụ thuộc vào Sự thay đổi vật liệu của pin lithium-ion còn phụ thuộc vào quy trình sản xuất. Quá trình đầm lăn đảm bảo mật độ nén mong muốn của tấm điện cực lithium bằng cách đặt trước kích thước khe hở hoặc lực giữa hai con lăn ở tốc độ con lăn và nhiệt độ thích hợp. Để tăng dung lượng pin, cải thiện độ dẫn điện tử và hiệu suất điện hóa, các miếng cực pin lithium-ion được sản xuất bằng công nghệ cán. Nghiên cứu chuyên sâu và hiểu về sự phát triển của vi cấu trúc điện cực trong quá trình cán, cũng như ảnh hưởng của các thông số xử lý trên cấu trúc cuối cùng và hiệu suất của điện cực, sẽ giúp kiểm soát điện cực tốt hơn và cải thiện hiệu suất tổng thể,
Vào năm 2022, Zhang et ¹ đã kết hợp mô phỏng số phương pháp phần tử rời rạc và thử nghiệm lăn để thực hiện nghiên cứu vi mô và vĩ mô có hệ thống về quá trình lăn của mảnh cực và sử dụng phương trình Heckel để bổ sung cho mô hình dự đoán nén điện cực, Hình 1 là một sơ đồ sơ đồ đường cong ứng suất và chuyển vị của mảnh cực trong quá trình nén. Người ta làm rõ rằng biến dạng của mảnh cực có liên quan đến quá trình nghiền hạt, phản ứng tổng hợp hạt thứ cấp, nén mạng chất kết dính và biến dạng bề mặt bộ thu dòng. Đồng thời, các phát hiện cho thấy rằng một mặt, sự gia tăng độ dẫn điện tử có liên quan đến đường dẫn điện được cải thiện bên trong điện cực và mặt khác, sự thắt chặt tiếp xúc giữa lớp phủ và bộ thu dòng điện. Dựa trên nghiên cứu này, bài báo này sử dụng thiết bị kiểm tra điện trở mảnh cực sê-ri BER2500 để kiểm tra độ dẫn điện của các mảnh cực than chì dưới các mật độ nén khác nhau, nghĩa là áp suất lăn khác nhau. Đồng thời, kết hợp cấu trúc ép phẳng của thiết bị để kiểm tra và phân tích hiệu suất nén của mảnh cực, nó cung cấp một phương pháp mới để đánh giá quy trình sản xuất cán cực của pin lithium-ion.
Hình 1. Sơ đồ đường cong chuyển vị lực của mảnh cực
(Khu vực màu xanh thể hiện kết quả thực nghiệm, khu vực màu xám thể hiện kết quả mô phỏng)
Thiết bị thí nghiệm và phương pháp thử nghiệm
1.1 Thiết Bị Thí Nghiệm
Kiểu thiết bị thử nghiệm là BER2500 (IEST), đường kính điện cực là 14mm và phạm vi áp suất được áp dụng là 5 ~ 60MPa. Thiết bị được hiển thị trong Hình 2 (a) và 2 (b).
Hình 2. (a) Mặt ngoài của BER2500; (b) Sơ đồ cấu trúc BER2500
1.2 Chuẩn bị mẫu và thử nghiệm
1.2.1 Sau khi phủ đồng nhất bùn trong cùng điều kiện công thức quy trình, chúng tôi sử dụng các áp lực khác nhau như nhỏ, trung bình và lớn để tiến hành ép cuộn để thu được bốn loại cực thành phẩm được nén chặt trong 1/2/3/4, trong đó áp lực của cuộn mảnh cực là 1<2<3<4. Mật độ nén của bốn miếng cực được tính tương ứng bằng phương pháp cân độ dày cắt và mật độ nén cũng cho thấy 1(1,35g/cm³)<2(1,5g/cm³)<3(1,6g/cm³)<3 (1,6g/cm³) cm³)<4 (1,65g/cm³), tức là khi áp suất lăn tăng, mật độ nén cũng có xu hướng tăng.
1.2.2 Kết hợp với thiết bị BER2500, sử dụng chế độ thí nghiệm trạng thái ổn định, với 5-60MPa, khoảng cách 5MPa và giữ áp suất trong 15s, so sánh và kiểm tra độ nén và khả năng chịu lực của các thanh sào có mật độ nén khác nhau. Quy trình cụ thể của thử nghiệm là: tạo một áp suất nhất định từ 5MPa và giữ nó trong 15 giây, đoạn cực được nén lại, đồng thời ghi lại độ dày và điện trở của đoạn cực; sau đó tăng áp suất trong khoảng thời gian 5MPa, sau đó ghi lại độ dày và điện trở của mảnh cực, v.v. cho đến 60MPa; sau đó giảm dần áp suất tác dụng để dỡ tải và ghi lại độ dày và lực cản.
Phân tích dữ liệu
Sau khi có được bốn điện cực với mật độ nén khác nhau, hãy sử dụng chế độ trạng thái ổn định để thực hiện các thử nghiệm phục hồi nén-không tải tải trên mảnh cực trong các điều kiện áp suất định lượng khác nhau, ghi lại sự thay đổi độ dày và sử dụng điểm áp suất ban đầu là 5MPa làm điểm chuẩn để tính biến dạng chiều dày Thực hiện các phép tính chuẩn hóa để thu được các đường cong ứng suất-biến dạng của các phần cực khác nhau (như trong Hình 3) và tóm tắt các biến dạng của chúng (như trong Bảng 1). Từ biểu đồ kết quả có thể thấy rằng với sự gia tăng áp lực lăn của mảnh cực, biến dạng tối đa, biến dạng thuận nghịch và biến dạng không thể đảo ngược của bốn mảnh cực giảm dần (1>2>3>4), nhưng xu hướng giảm Dần dần chậm lại. Xu hướng thay đổi này có liên quan chặt chẽ đến hiệu ứng lấp đầy và nén của bột trong lớp phủ mảnh cực, bao gồm dòng chảy và sắp xếp lại các hạt bột, biến dạng đàn hồi và dẻo, và nghiền. Thông thường, quá trình cán mảnh cực cần vượt qua ma sát, lực bề mặt, biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và nghiền để thực hiện công việc trên lớp phủ điện cực để làm gọn điện cực.
Công thức vật liệu của phần lớp phủ được thiết kế trong thí nghiệm này là nhất quán. Áp suất lăn khác nhau sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy và sự sắp xếp lại của các hạt. Việc tăng áp suất lăn có thể khắc phục ma sát giữa các hạt và làm cho các hạt sắp xếp chặt chẽ hơn và kết hợp với nhau. gần hơn. Hơn nữa, khi áp suất lăn tăng lên, đầu tiên bột sẽ sắp xếp lại và lấp đầy lỗ ban đầu; sau khi các hạt tiếp xúc chặt chẽ, áp suất tiếp tục tăng và các hạt tương tác và biến dạng đàn hồi. Khi áp suất tăng lên hạt Sau một ứng suất chảy nhất định, các hạt hoạt động bị biến dạng dẻo, đây cũng là nguyên nhân chính khiến mật độ nén tăng dần theo sự gia tăng của áp suất lăn. Các công thức của mảnh cực pin lithium-ion thường cũng cần thêm các chất phụ gia chức năng vào bột hoạt tính, chẳng hạn như chất trợ chảy, chất kết dính, chất dẫn điện, v.v., điều này cũng sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi trạng thái tổng thể của mảnh cực dưới các áp suất khác nhau. Trong sản xuất mảnh cực thực tế, mảnh cực bị ảnh hưởng bởi các yếu tố toàn diện như điều kiện quy trình, áp suất con lăn, độ căng, tốc độ và hiệu suất nén bột. Áp suất tổng thể được đặt trong thử nghiệm trong bài báo này tương đối nhỏ, nhưng xu hướng hiệu suất nén phù hợp với quy trình sản xuất thực tế, có thể được sử dụng như một phương tiện hiệu quả để đánh giá quy trình. điều này cũng sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi trạng thái tổng thể của mảnh cực dưới các áp suất khác nhau. Trong sản xuất mảnh cực thực tế, mảnh cực bị ảnh hưởng bởi các yếu tố toàn diện như điều kiện quy trình, áp suất con lăn, độ căng, tốc độ và hiệu suất nén bột. Áp suất tổng thể được đặt trong thử nghiệm trong bài báo này tương đối nhỏ, nhưng xu hướng hiệu suất nén phù hợp với quy trình sản xuất thực tế, có thể được sử dụng như một phương tiện hiệu quả để đánh giá quy trình. điều này cũng sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi trạng thái tổng thể của mảnh cực dưới các áp suất khác nhau. Trong sản xuất mảnh cực thực tế, mảnh cực bị ảnh hưởng bởi các yếu tố toàn diện như điều kiện quy trình, áp suất con lăn, độ căng, tốc độ và hiệu suất nén bột. Áp suất tổng thể được đặt trong thử nghiệm trong bài báo này tương đối nhỏ, nhưng xu hướng hiệu suất nén phù hợp với quy trình sản xuất thực tế, có thể được sử dụng như một phương tiện hiệu quả để đánh giá quy trình.
Hình 3. Đường cong ứng suất-biến dạng (hiệu suất nén) của bốn loại thanh cực
Bảng 1. Tóm tắt bốn loại biến dạng mảnh cực
Trong quá trình lăn các miếng cực pin lithium-ion, độ biến dạng của chiều rộng và chiều dài của các miếng cực rất nhỏ, và việc lăn miếng cực có thể làm giảm độ dày của lớp phủ, tăng mật độ nén và cải thiện độ bám dính của lớp phủ, để ổn định cấu trúc điện cực và cải thiện mục đích của dung lượng pin. Quá trình lăn của mảnh cực là một quá trình trong đó khối lượng trên một đơn vị diện tích hầu như không đổi và thể tích giảm. Giữa các hạt, giữa các hạt và bộ thu dòng, chúng được kết hợp bởi một chất kết dính. Việc nén theo hướng độ dày của mảnh cực là kết quả của quá trình nén đồng thời của bộ thu dòng điện và lớp phủ, nhưng sự thay đổi về độ dày của bộ thu dòng điện là tương đối nhỏ. Ngoài ra còn có sự tương tác giữa các hạt bột và bộ thu hiện tại. Trong quá trình cán, các hạt sẽ tạo thành các vết rỗ trên bộ thu dòng, do đó làm tăng diện tích tiếp xúc và lực dính giữa lớp phủ và bộ thu dòng.
Hình 4 và Hình 5 lần lượt hiển thị các đường cong biến thiên độ dày và các đường cong biến thiên điện trở suất của các mảnh cực với bốn mật độ nén khác nhau dưới một loạt áp suất phẳng tác dụng ở chế độ ổn định. Khi áp suất tăng lên, độ dày tổng thể của mảnh cực trở nên nhỏ hơn nói chung. Sau một áp suất nhất định, độ dày của miếng cực có xu hướng ổn định. Đồng thời, mảnh cực có nhiều khả năng bật lại khi áp suất thấp. Do đó, trong thử nghiệm áp suất thay đổi, độ dày thay đổi rất nhiều theo áp suất. Trong đường cong điện trở suất, xu hướng thay đổi của cực 1 và 2 lớn hơn so với cực 3 và 4. Điều này chủ yếu là do so với cực 1 và 2, sự tiếp xúc giữa các hạt lớp phủ của miếng cực 3 và 4 dưới áp suất lăn lớn và Sự tiếp xúc giữa lớp phủ và bộ thu dòng điện chặt chẽ hơn và sự thay đổi độ dày tổng thể của miếng cực trong quá trình đo áp suất phẳng nhỏ hơn. So với kết quả kiểm tra điện trở suất dưới các áp suất khác nhau, giá trị tuyệt đối của miếng cực áp suất lăn nhỏ nhỏ hơn áp suất lăn lớn, điều này có thể là do sự thay đổi hướng độ dày của miếng cực dẹt dễ tạo ra độ dẫn dọc hơn của mảnh cực tốt hơn. Trong đánh giá thực tế về độ dẫn điện tử, các thông số hợp lý nhất có thể được chọn để thử nghiệm kết hợp với các nhu cầu cụ thể. và sự thay đổi về độ dày tổng thể của mảnh cực trong quá trình đo áp suất phẳng nhỏ hơn. So với kết quả kiểm tra điện trở suất dưới các áp suất khác nhau, giá trị tuyệt đối của miếng cực áp suất lăn nhỏ nhỏ hơn áp suất lăn lớn, điều này có thể là do sự thay đổi hướng độ dày của miếng cực dẹt dễ tạo ra độ dẫn dọc hơn của mảnh cực tốt hơn. Trong đánh giá thực tế về độ dẫn điện tử, các thông số hợp lý nhất có thể được chọn để thử nghiệm kết hợp với các nhu cầu cụ thể. và sự thay đổi về độ dày tổng thể của mảnh cực trong quá trình đo áp suất phẳng nhỏ hơn. So với kết quả kiểm tra điện trở suất dưới các áp suất khác nhau, giá trị tuyệt đối của miếng cực áp suất lăn nhỏ nhỏ hơn áp suất lăn lớn, điều này có thể là do sự thay đổi hướng độ dày của miếng cực dẹt dễ tạo ra độ dẫn dọc hơn của mảnh cực tốt hơn. Trong đánh giá thực tế về độ dẫn điện tử, các thông số hợp lý nhất có thể được chọn để thử nghiệm kết hợp với các nhu cầu cụ thể. điều này có thể là do sự thay đổi hướng độ dày của miếng cực phẳng dễ dàng hơn để làm cho độ dẫn dọc của miếng cực tốt hơn. Trong đánh giá thực tế về độ dẫn điện tử, các thông số hợp lý nhất có thể được chọn để thử nghiệm kết hợp với các nhu cầu cụ thể. điều này có thể là do sự thay đổi hướng độ dày của miếng cực phẳng dễ dàng hơn để làm cho độ dẫn dọc của miếng cực tốt hơn. Trong đánh giá thực tế về độ dẫn điện tử, các thông số hợp lý nhất có thể được chọn để thử nghiệm kết hợp với các nhu cầu cụ thể.
Hình 4. Đường cong thay đổi độ dày của bốn miếng cực
Hình 5. Đường cong kiểm tra độ dẫn điện của bốn miếng cực
tóm tắt
Trên trang giấy này,các Thiết bị kiểm tra điện trở mảnh cực sê-ri BER2500được sử dụng để kiểm tra hiệu suất nén và độ dẫn điện của các miếng cực than chì dưới các áp suất lăn khác nhau, có thể phân biệt hiệu quả sự khác biệt về hiệu suất của các miếng cực dưới các áp suất lăn khác nhau. Trong quá trình sản xuất thực tế, áp suất lăn Việc lựa chọn pin nên được lựa chọn hợp lý kết hợp với công thức quy trình cụ thể. Trong khi tăng dung lượng pin, nó cũng có thể cải thiện hiệu quả hiệu suất điện tổng thể của pin.