So sánh sự mở rộng và phân hủy của các điện cực dương và âm trong pin Lithium-Ion
Pin lithium-ion sẽ trải qua quá trình giãn nở hoặc co lại về cấu trúc do sự khử xen kẽ của lithium trong quá trình sạc và xả. Khi sạc pin lithium-ion, điều xảy ra ở phía điện cực âm là quá trình xen kẽ lithium (như điện cực âm than chì, điện cực âm carbon cứng, v.v.) hoặc chèn lithium hợp kim (chẳng hạn như điện cực âm dựa trên silicon, lithium điện cực âm kim loại, v.v.), do đó, vật liệu điện cực âm thường trải qua quá trình giãn nở thể tích đáng kể khi độ sâu nhúng lithium tăng lên. Ví dụ, các điện cực âm than chì thường tạo ra sự giãn nở thể tích từ 10 đến 15%, trong khi các điện cực âm dựa trên silicon có thể tạo ra sự giãn nở thể tích tối đa là 300%. Tuy nhiên, đối với vật liệu làm cực âm của pin lithium, những gì xảy ra trong quá trình sạc là quá trình phân tách, vậy cấu trúc của nó có co lại khi độ sâu phân tách tăng lên không? Câu trả lời là"KHÔNG". Nghiên cứu tài liệu cho thấy vật liệu catốt NCM hoặc LCO cũng sẽ trải qua quá trình giãn nở cấu trúc trong quá trình tích điện và phân tách. Điều này là do việc loại bỏ các ion lithium sẽ làm tăng lực đẩy Coulomb giữa các lớp theo hướng trục c của cấu trúc vi tinh thể của vật liệu catốt, dẫn đến sự giãn nở cấu trúc vĩ mô[1,2].
Thông thường, người ta luôn sử dụng toàn bộ pin làm thân chính để nghiên cứu sự thay đổi âm lượng của pin trong quá trình sạc và xả. Mặc dù phương pháp này vận hành đơn giản nhưng kết quả chỉ có thể phản ánh sự giãn nở tổng thể của các điện cực dương và âm, không thể tách rời hơn nữa sự giãn nở của các điện cực dương và âm và phân tích một cách so sánh tỷ lệ đóng góp của điện cực dương và âm. vật liệu đến hành vi mở rộng tổng thể của pin đầy. Nó cũng không thể trả lời các câu hỏi trên về đặc tính giãn nở của vật liệu điện cực dương.
Vậy chúng ta có thể sử dụng một nửa cell để tách tỷ lệ giãn nở của điện cực dương và âm không? Vì các tấm lithium sẽ trải qua quá trình giãn nở thể tích lớn trong quá trình khử xen kẽ và khử xen kẽ của lithium[3], phương pháp lắp ráp nửa tế bào truyền thống vẫn không thể phân hủy hiệu quả hành vi giãn nở của các điện cực dương và âm. Dựa trên điều này, IEST áp dụng công nghệ xử lý và thiết kế cấu trúc đặc biệt để cách ly nhiễu giãn nở của các tấm lithium trong nửa tế bào, từ đó tách rời và phân tích hiệu quả sự giãn nở của các tấm điện cực dương và âm!
1. Điều kiện thử nghiệm
1.1 Thiết bị kiểm tra
Thử nghiệm mở rộng sạc và phóng điện tại chỗ của nửa tế bào dương và âm sử dụng khuôn thử nghiệm mở rộng đơn cực tự chế của IEST, trong khi thử nghiệm mở rộng pin đầy nút sử dụng khuôn khóa kiểu tự chế của IEST. Sơ đồ cấu trúc của cả hai tương ứng Như được hiển thị trong Hình 1 (c) và (b). Những thay đổi về độ dày giãn nở của cả hai ở các trạng thái chèn lithium khác nhau được ghi lại trong thời gian thực thông qua hệ thống sàng lọc nhanh tại chỗ mở rộng điện cực âm dựa trên silicon (RSS1400, IEST) được trang bị cảm biến độ dày có độ chính xác cao, như trong Hình 1(a).
Hình 1. (a) Hệ thống sàng nhanh tại chỗ mở rộng cực dương dựa trên silicon (RSS1400, IEST) và nút kiểm tra toàn ô (b) nửa ô nút (c) Khuôn tương ứng để mở rộng âm lượng
1.2 Quy trình thử nghiệm tại chỗ
① Điện cực dương được làm bằng vật liệu NCM523 và điện cực âm được làm bằng vật liệu SiC. Đầu tiên, nó được lắp ráp thành một nút bấm đầy pin trong khóa mô hình tự chế của IEST (như trong Hình 1(b)), và trong điều kiện lực tải trước 5kg với tốc độ 01C Sạc và xả, đồng thời ghi lại đường cong giãn nở của loại nút bấm đầy pin tại chỗ.
② Sau đó lắp ráp các nửa nút của điện cực dương NCM523 và điện cực âm SiC tương ứng vào khuôn thử nghiệm giãn nở đơn cực (như trong Hình 1(c)), và sạc và phóng điện ở tốc độ 01C trong điều kiện lực tải trước 5kg. Đồng thời, đường cong giãn nở độ dày của mảnh điện cực dương hoặc âm được ghi lại tại chỗ.
2. Phân tích kết quả
Bảng 1 cho thấy công suất sạc và xả cũng như hiệu suất của pin nửa nút và pin đầy nút sau hai chu kỳ. Hiệu suất của nửa tế bào dương và âm thấp hơn một chút so với tế bào nút thương mại 2032, điều này là do sử dụng cấu trúc cố định đặc biệt và màng ngăn gốm đặc biệt trong khuôn giãn nở của mảnh đơn cực. Vì công suất sạc và xả có liên quan tích cực đến độ giãn nở độ dày tương ứng và dung lượng của nửa ô dương và âm không phù hợp với pin đầy, nếu bạn muốn so sánh hành vi mở rộng của ba ô, bạn cần bình thường hóa công suất của chúng, nghĩa là so sánh độ giãn nở độ dày được tạo ra bởi công suất nạp và xả đơn vị của cả ba.
Hình 2 cho thấy đường cong sạc và xả của ba pin trong chu kỳ sạc thứ hai. Chúng tôi đã chuẩn hóa chúng theo hiệu suất công suất tương ứng, phạm vi sạc và xả của ô đầy đủ (NCM523 // SiC) và nửa ô dương (NCM523 // Li) là 3 ~ 4,25V, trong khi phạm vi sạc và xả của ô nửa ô âm (SiC // Li) là 0,005 ~ 2V. Hình 3 cho thấy sự thay đổi độ dày giãn nở của ba pin trong chu kỳ sạc và xả thứ hai. Có thể thấy, độ giãn nở độ dày của pin đầy trong quá trình sạc và xả chủ yếu đến từ phía điện cực âm và chiếm hơn 80%, độ giãn nở thể tích ở phía cực âm chỉ chiếm dưới 10%, trong đó phù hợp với kết quả thử nghiệm trong các tài liệu khác [4,5]. Ngoài ra, theo dữ liệu liên quan, độ giãn nở thể tích của vật liệu catốt chính thống hiện nay là khoảng[4,5]: LFP-6,5%, LCO-1,9%, LMO-7,3%, NCM-6,5% (tùy theo hàm lượng Ni), NCA-6%.
Bảng 1. So sánh công suất và hiệu suất sạc, xả giữa pin nửa nút điện cực dương và âm và pin đầy nút sau hai chu kỳ
Hình 2. Điện áp thay đổi theo thời gian trong chu kỳ sạc và phóng điện thứ hai của nửa tế bào nút điện cực dương và âm và tế bào đầy đủ nút. Để thuận tiện cho việc so sánh giữa ba loại, việc chuẩn hóa được thực hiện theo mức sử dụng công suất.
Hình 3. Đường cong thay đổi của việc mở rộng công suất đơn vị theo thời gian của nửa tế bào nút điện cực dương và âm và tế bào đầy nút trong chu kỳ sạc và xả thứ hai. Để thuận tiện cho việc so sánh giữa ba loại, việc chuẩn hóa được thực hiện theo mức sử dụng công suất.
3. Bản tóm tắt
Bài viết này sử dụng khuôn thử nghiệm giãn nở tấm đơn cực do IEST phát triển để phân tách và so sánh đặc tính giãn nở của các tấm điện cực dương và âm của pin lithium-ion. Bởi vì khuôn này sử dụng thiết kế cấu trúc đặc biệt và màng gốm đặc biệt nên hiệu suất nạp và xả của nó sẽ thấp hơn một chút so với phí 2032 thương mại, tuy nhiên, vẫn có thể thấy từ kết quả thử nghiệm mở rộng rằng độ giãn nở độ dày của nút- loại pin đầy chủ yếu đến từ phía điện cực âm, chiếm hơn 80%, trong khi độ giãn nở thể tích của phía điện cực dương chỉ chiếm dưới 10%. điều này phù hợp với kết quả thử nghiệm trong các tài liệu khác[4,5]. Kết quả này sẽ giúp các nhà nghiên cứu phân tích một cách so sánh sự đóng góp của vật liệu điện cực dương và âm vào sự giãn nở thể tích của toàn bộ pin, nhằm tối ưu hóa và sửa đổi vật liệu theo cách có mục tiêu hơn và đẩy nhanh sự phát triển của vật liệu có công suất cao, độ giãn nở thấp!
4. Những tài liệu tham khảo
[1] FB Spingler, S. Kucher, R. Phillips, E. Moyassari và A. Jossen, Phép đo độ giãn tại chỗ ổn định điện hóa của các điện cực NCM, NCA và Graphite cho pin lithium-ion so với phép đo XRD. J. Điện hóa. Sóc. 168 (2021) 040515.
[2] B. Rieger, S. Schlueter, SV Erhard và A. Jossen, Sự lan truyền biến dạng trong pin lithium-ion từ cấu trúc tinh thể đến mức điện cực. J. Điện hóa. Sóc. 163 (2016) A1595-A1606.
[3] C. Luo, H. Hu, T. Zhang, SJ Wen, R. Wang, YN An, SS Chi, J. Wang, CY Wang, J. Chang, ZJ Zheng và YH Deng, Roll-to-Roll Chế tạo cực dương lithium-composite không giãn nở thể tích để tạo ra pin lithium-kim loại linh hoạt và ổn định với mật độ năng lượng cao. Khuyến cáo. Mẹ ơi. 34 (2022) 2205677.
[4] R. Koerver, WB Zhang, L. Biasi, S. Schweidler, AO Kondrakov, S. Kolling, T. Brezesinski, P. Hartmann, WG Zeier và J. Janek, Sự mở rộng cơ học của vật liệu điện cực lithium - trên con đường dẫn đến pin thể rắn được tối ưu hóa về mặt cơ học. Môi trường năng lượng. Khoa học. 11 (2018) 2142-2158.
[5] Y. Koyama, TE Chin, U. Rhyner, RK Holman, SR Hall và YM Chiang, Khai thác tiềm năng hoạt động của các hợp chất xen kẽ trạng thái rắn. Khuyến cáo. Chức năng. Mẹ ơi. 16 (2006) 492-498.