Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon dẫn điện đến điện trở ở các mức độ khác nhau của pin

Là một hệ thống năng lượng mới được sử dụng rộng rãi, pin lithium-ion có nhiều triển vọng ứng dụng trong điện thoại di động, máy tính, ô tô, lưu trữ năng lượng và các lĩnh vực khác. Trong những năm gần đây, do yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất sạc nhanh trong các lĩnh vực khác nhau, việc cải thiện hiệu suất cấp số nhân của pin đã trở thành hướng đi của các nhà nghiên cứu pin lithium và không ngừng khám phá. Pin lithium-ion bao gồm điện cực dương và âm, màng ngăn, chất điện phân, khi sạc pin, lithium-ion từ cực dương, hỗ trợ môi trường điện phân, thông qua màng ngăn được nhúng trong cực dương và hiệu suất tỷ lệ pin có liên quan đến lực cản của toàn bộ quá trình di chuyển lithium-ion, để tìm ra cách phù hợp để giảm điện trở của từng liên kết cần các nhà nghiên cứu siêng năng khám phá. 

Chất dẫn điện cholithium-ionhiệu suất tỷ lệ pin đã đóng một vai trò quan trọng, có rất nhiều nghiên cứu liên quan cho thấy rằng nó có thể cải thiện đường truyền điện tử, tăng tốc độ truyền điện tích, cải thiện hiệu suất của pin, nhưng tác nhân dẫn điện do kích thước và mật độ hạt nhỏ hơn hoạt động vật liệu, làm thế nào để đảm bảo rằng nó phân tán đồng đều trong bùn và lớp cực, cũng là trọng tâm của tỷ lệ pin^[1-6]. Thông qua sự thay đổi hàm lượng carbon dẫn điện, từ bột, bùn, cực và pin khóa, bốn lớp đặc trưng cho sự thay đổi hiệu suất điện trở, phân tích định tính ảnh hưởng của điện trở carbon dẫn điện, đồng thời khám phá hàm lượng carbon dẫn điện phù hợp nhất về hiệu suất điện, để các nhà phát triển công thức và quy trình pin cung cấp hỗ trợ phương pháp kỹ thuật thuận lợi.

1 Vật liệu và phương pháp thí nghiệm

1.1 Vật liệu

Vật liệu bậc ba Niken-Coban-mangan (NCM), Carbon dẫn điện (SP), polyvinylidene fluoride (PVDF), N-methylpartner (NMP), Pin khóa loại 2032.

1.2 Công cụ phân tích và kiểm tra

Bốn điện trở bột đầu dò (PRCD2100-IEST), bốn chế độ đầu dò, điện trở bùn (BSR2300-IEST), điện trở tấm cực (BER2500-IEST), ba thiết bị trên là của Yuan Energy Technology (Xiamen) Co., Ltd.; Máy Kiểm Tra Pin (CT-4008T-Neware), Máy Trạm Điện Hóa (DH7001).

1.3 Phương pháp thí nghiệm

Theo tỷ lệ công thức trong Bảng 1, năm nhóm dán catốt, tấm điện cực và pin khóa đã được chuẩn bị. Các thiết bị kiểm tra khác nhau đã được sử dụng để kiểm tra hiệu suất điện trở của bùn, tấm cực và pin khóa tương ứng, sau đó phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi hàm lượng carbon dẫn điện đối với hiệu suất điện của từng cấp độ.

Bảng 1 Phần trăm khối lượng của năm nhóm mẫu

1.4 Chuẩn bị mẫu

Gọi nguyên liệu theo tỷ lệ của từng nhóm nguyên liệu trong bảng 1, trộn bằng máy trộn tốc độ cao trong 11 phút, một số dùng máy trộn bán tự động để trét lên lá nhôm. Sau khi sấy khô, một số bộ phận cực, nửa cực được sử dụng để lắp ráp pin khóa. Pin khóa được lắp ráp trong một hộp đựng găng tay argon, với cực dương của tấm ba cực và cực âm của tấm lithium.

2 Kết quả thí nghiệm và thảo luận

2.1 Phân tích lớp bột

Điện trở suất bột của vật liệu ternary đã sử dụng và carbon dẫn điện đã được thử nghiệm tương ứng. Hình 1 cho thấy với sự gia tăng áp suất thử nghiệm, mật độ nén của vật liệu ternary và carbon dẫn điện tăng dần, trong khi điện trở suất giảm dần, khi mật độ nén của vật liệu ternary là 3,5 g / cm³.02 Vào thời điểm đó, điện trở suất vào khoảng 16,7 Ω * cm và khi mật độ nén của vật liệu cacbon dẫn điện là 1,0 g/cm3, thì điện trở suất vào khoảng 0 * cm. Do đó, ở cấp độ bột, điện trở của vật liệu ternary gấp 835 lần so với carbon dẫn điện và độ dẫn điện của carbon dẫn điện tốt hơn nhiều so với vật liệu ternary, điều này sẽ ảnh hưởng đến độ dẫn điện của bùn và điện cực tiếp theo.

Hình 1: (a) Đồ thị mật độ nén bột thay đổi theo cường độ áp suất thử nghiệm; và (b) Biểu đồ thay đổi điện trở suất của bột theo mật độ nén

2.2 Phân tích hiệu suất điện trở suất phân lớp của bùn và tấm cực

Hình 2 (a) cho kết quả thử nghiệm của năm nhóm điện trở suất của bùn, như có thể thấy từ hình, điện trở suất của bùn giảm khi hàm lượng cacbon dẫn điện tăng, điều này là do khi hàm lượng cacbon dẫn điện tăng, trong bùn huyền phù của các hạt ternary giữa các kết nối hạt carbon dẫn điện hơn, do đó sự truyền điện tử giữa các hạt nhanh hơn, điện trở suất nhỏ hơn. Hình 2 (b) cho thấy kết quả kiểm tra điện trở suất của điện cực trước và sau năm bộ áp suất con lăn. Từ hình có thể thấy rằng điện trở suất của điện cực giảm khi hàm lượng cacbon dẫn điện tăng lên, điều này cho thấy rằng việc tăng hàm lượng cacbon dẫn điện sẽ cải thiện đáng kể độ dẫn điện tử giữa các hạt. Ngoài ra,

Hình 2: (a) đường cong điện trở suất của năm nhóm bùn; và (b) đường cong điện trở của năm nhóm cực

2.3 Phân tích hiệu suất điện trở của pin khóa

Thử nghiệm quang phổ trở kháng AC và thử nghiệm hiệu suất hệ số nhân của năm nhóm pin khóa sau khi sạc và xả một lần kích hoạt đã được tiến hành và kết quả được thể hiện trong Hình 3 (a), 3 (b) và 3 (c). Trong các hệ thống pin lithium-ion, dải tần từ trung bình đến cao trong phổ trở kháng biểu thị sự chuyển điện tử và truyền điện tích, còn dải tần thấp biểu thị sự khuếch tán ion^[7]. Như có thể thấy từ Hình 3 (b), với việc tăng hàm lượng carbon chuyển pin từ 0% lên 3%, tổng lượng chuyển điện tử R và điện trở chuyển điện tích R ct cũng giảm dần, điều này cho thấy lượng carbon dẫn điện được thêm vào có tác động tích cực đáng kể đến việc cải thiện điện trở của pin. Ngoài ra, nếu chỉ so sánh điện trở điện tử ở tần số cao, nó sẽ bị ảnh hưởng bởi điện trở tiếp xúc của vỏ pin khóa và tấm cực, và xu hướng thay đổi của hai nhóm đầu tiên không phù hợp với sự thay đổi của hàm lượng cacbon dẫn điện. Theo tỷ lệ lưu giữ công suất xả tỷ lệ khác nhau trong Hình 3 (c), khi tỷ lệ xả tăng dần lên 2,5 C, khi hàm lượng carbon dẫn điện nhỏ hơn 1%, khả năng phóng điện gần như dưới 2%, trong khi khi hàm lượng carbon dẫn điện lớn hơn 1,5%, khả năng phóng điện của pin vẫn ở mức trên 80%. Do đó, hàm lượng carbon dẫn điện phù hợp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ số nhân pin.

Hình 3 (a) Đường cong E IS của các ô năm nhóm; ( b ) đường cong điện trở và điện trở ion của các tế bào năm nhóm; ( c ) đường cong tỷ lệ duy trì xả số nhân khác nhau của các ô năm nhóm;

3. Kết luận

Bài báo này từ bốn lớp bột, bùn, cực và pin khóa, tương ứng với năm nhóm hàm lượng carbon dẫn điện khác nhau, phân tích định lượng hiệu suất kháng mẫu, cho thấy rằng carbon dẫn điện được thêm vào sau khi dẫn điện tốt hơn vật liệu bậc ba, bùn, cực, khóa độ dẫn của pin hiệu suất có một mức độ cải thiện nhất định và hàm lượng carbon dẫn điện thích hợp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất hệ số nhân của pin. Nghiên cứu trong bài báo này nhắc nhở các nhà nghiên cứu liên quan đến pin rằng họ có thể đánh giá hiệu suất điện từ các cấp độ khác nhau và chú ý đến tác động của hàm lượng carbon dẫn điện thích hợp đối với hiệu suất cấp số nhân của pin.

Tài liệu tham khảo

[1] Xu Jieru, Li Hong, et al. Phương pháp kiểm tra và phân tích độ dẫn điện trong nghiên cứu pin lithium [J]. Khoa học và Công nghệ Lưu trữ Năng lượng, 2018,7(5): 926-955.

[2] Kondo H, Sawada H, Okuda C, et al. Ảnh hưởng của vật liệu hoạt tính đến độ dẫn điện tử của điện cực dương trong pin lithium-ion [J]. Tạp chí của Hiệp hội Điện hóa, 2019, 166(8): A1285-A1290.

[3] Nie Lei, Qin Xing, Zhang Na, et al. Nghiên cứu về Pin Lithium-ion [J]. Công nghệ cung cấp điện, 2019,43(4): 562-563.

[4] Westphal BG, Mainusch N, Meyer C, et al. Ảnh hưởng của trộn và cán khô cường độ cao đến điện trở suất tương đối của điện cực được xác định thông qua phương pháp tiếp cận hai điểm nâng cao [J]. Tạp chí Lưu trữ Năng lượng, 2017, 11:76-85 .

[5] Mainusch N, Christ T, Siedenburg T, et al. Đầu dò tiếp xúc mới và phương pháp đo điện trở trong điện cực pin [J]. Công nghệ năng lượng, 2016, 4, 1550-1557

[6] Liao Xiaodong, Huang Ju, Wang Ronggui. Ảnh hưởng của hàm lượng carbon dẫn điện cực âm đến hiệu suất của pin lithium-ion [J]. Dongfang Electric Review, 2013,27 (105): 4-7.

[7] Zhuang Quanchao, Xu Shoudong, Qiu Xiangyun, và cộng sự Phân tích quang phổ trở kháng điện hóa của pin lithium-ion [J].Chemical Advances, 2010,22 (6): 1044-1057.