Saladuse paljastamine: liitiumioonakude super teoreetiline võimsus

Miks liitiumaku eksisteerib super teoreetilise võimsuse nähtus

Liitium-ioonakude (LIB) puhul on paljudel siirdemetallioksiidil põhinevatel elektroodidel ebatavaliselt kõrge salvestusmaht, mis ületab nende teoreetilise väärtuse. Kuigi sellest nähtusest on laialdaselt teatatud, jäävad nende materjalide aluseks olevad füüsikalis-keemilised mehhanismid raskesti mõistetavaks ja jäävad arutelu teemaks.

Tulemuste profiil

Hiljuti avaldasid professor Miao Guoxing Waterloo ülikoolist Kanadast, professor Yu Guihua Texase ülikoolist Austinis ning Li Hongsen ja Li Qiang Qingdao ülikoolist ühiselt teadusartikli loodusmaterjalide kohta pealkirjaga "Täiendav salvestusmaht siirdemetalloksiid-liitiumioonakud, mis ilmnesid in situ magnetomeetria abil". Selles töös kasutasid autorid in situ magnetseiret, et demonstreerida metalli nanoosakeste tugeva pinnamahtuvuse olemasolu ja seda, et suurt hulka spin-polariseeritud elektrone saab salvestada juba redutseeritud metalli nanoosakestes, mis on kooskõlas ruumilise laengu mehhanismiga. Lisaks saab paljastatud ruumilise laengu mehhanismi laiendada teistele siirdemetalliühenditele, pakkudes peamist juhendit täiustatud energiasalvestussüsteemide loomiseks.

Teadusuuringute esiletõstmine

(1) Tüüpilist Fe uuriti, kasutades in situ magnetilise jälgimise tehnikat3O4/ Li-aku elektroonilise struktuuri areng;

(2) näitab, et Fe3O4 / Li süsteemis on lisavõimsuse peamine allikas pinnalaengu võimsus;

(3) Metallist nanoosakeste pinnamahtuvuse mehhanismi saab laiendada paljudele siirdemetalliühenditele.

Tekst ja tekstijuhend

1. Struktuuri iseloomustus ja elektrokeemilised omadused

Monodispersne õõnes Fe sünteesiti tavapäraste hüdrotermiliste meetoditega3O4Nanosfäärides ja seejärel teostati 100 mAg−1 Laadimine ja tühjendamine voolutihedusega (joonis 1a), esimene tühjendusvõimsus on vastavalt 1718 mAh g−1, 1370 mAhg teisel ja kolmandal korral − 1Ja 1,364 mAhg−1, kaugelt üle 926 mAhg−1Ootuste teooria. Täielikult tühjenenud toote BF-STEM-kujutised (joonis 1b-c) näitavad, et pärast liitiumi redutseerimist muudeti Fe3O4 nanosfäärid väiksemateks Fe nanoosakesteks, mille mõõtmed on umbes 1–3 nm ja mis olid dispergeeritud Li2O keskel.

Magnetismi muutuse demonstreerimiseks elektrokeemilise tsükli ajal saadi pärast täielikku tühjenemist 0.01, 1 V-ni magnetiseerimiskõver (joonis XNUMXd), mis näitab nanoosakeste moodustumise tõttu superparamagnetilist käitumist.

Joonis 1 (a) tsükli 100 mAg−1Fe juures voolutihedusega3O4/ Li-aku konstantse voolu laadimis- ja tühjenemiskõver; (b) täisliitium Fe3O4 Elektroodi BF-STEM kujutis; (c) Li olemasolu nii O kui ka Fe kõrge eraldusvõimega BF-STEM koondkujutistes; (d) Fe2O3 Elektroodi hüstereesikõverad enne (must) ja pärast (sinine) ning viimase Langevini sobitatud kõver (lilla).

2. Struktuurse ja magnetilise evolutsiooni reaalajas tuvastamine

Elektrokeemia kombineerimiseks Fe3O4-ga seotud struktuursete ja magnetiliste muutustega teostati elektroodid in situ röntgendifraktsiooni (XRD) ja in situ magnetilise monitooringuga. Fe XRD difraktsioonimustrite seerias esialgsel tühjenemisel avatud vooluahela pingest (OCV) väärtusele 3, 4 V1.2O3 Difraktsiooni piigid ei muutunud oluliselt ei intensiivsuses ega asendis (joonis 4a), mis näitab, et Fe2O3 koges ainult Li interkalatsiooni protsessi. 4V laadimisel jääb Fe3O3Spinellivastane struktuur puutumatuks, mis viitab sellele, et protsess selles pingeaknas on väga pöörduv. Viidi läbi täiendav in situ magnetiline jälgimine koos konstantse voolu laadimis- ja tühjenemise testidega, et uurida, kuidas magnetiseerimine reaalajas areneb (joonis 4b).

Joonis 2 In situ XRD ja magnetilise monitooringu iseloomustus. (A) in situ XRD; (b) Fe3O4 elektrokeemiline laengu-tühjenemise kõver 3 T rakendatud magnetvälja all ja vastav pöörduv in situ magnetreaktsioon.

Selle konversiooniprotsessi põhimõistmiseks magnetiseerimismuutuste osas kogutakse magnetreaktsioon reaalajas ja elektrokeemiliselt juhitud reaktsioonidega kaasnev vastav faasisiire (joonis 3). On üsna selge, et esimese tühjenemise ajal Fe3O4Elektroodide magnetiseerimisreaktsioon erineb teistest tsüklitest tulenevalt Fe-st esimese litaliseerimise ajal3O4Pöördumatu faasisiire tõttu. Kui potentsiaal langes 0.78 V-ni, muudeti Fe3O4The antispinelli faas sisaldama Li2. O, Fe3O4 klassi FeO haliidi struktuur. Faasi ei saa pärast laadimist taastada. Vastavalt langeb magnetiseerumine kiiresti 0.482 μb Fe−1-ni. Litialiseerumise edenedes uut faasi ei moodustunud ning (200) ja (220) klassi FeO difraktsioonipiikide intensiivsus hakkas nõrgenema.võrdne Fe3O4 Elektroodi täielikul liialiseerimisel ei jää märkimisväärset XRD piiki (joonis 3a). Pange tähele, et kui Fe3O4 elektrood tühjendab pingelt 0.78 V kuni 0.45 V, siis magnetiseerumine (0.482 μb Fe-1 suurenes 1.266 μbFe-1-ni) omistati see muundamisreaktsioonile FeO-st Fe-ks. Seejärel, tühjenemise lõpus, vähendati magnetiseerimist aeglaselt 1.132, 1 μB Fe-0-ni. See leid viitab sellele, et täielikult redutseeritud metallist Fe Nanoosakesed võivad siiski osaleda liitiumi säilitamise reaktsioonis, vähendades seega elektroodide magnetiseerumist.

Joonis 3 Faasiülemineku ja magnetreaktsiooni in situ vaatlused.（a）Fe3O4In situ XRD kaart, mis koguti elektroodi esimese tühjenemise ajal; (b) Fe3O4/Li elementide elektrokeemiliste tsüklite in situ magnetjõu mõõtmine rakendatud magnetväljal 3 T.

3. Fe0/Li2O-süsteemi pindmahtuvus

Fe3O4 Elektroodide magnetilised muutused toimuvad madalal pingel, mille juures tekib tõenäoliselt täiendav elektrokeemiline võimsus, mis viitab avastamata laengukandjate olemasolule rakus. Potentsiaalse liitiumi salvestusmehhanismi uurimiseks uuriti Fe abil XPS, STEM ja magnetilise jõudluse spektri3O4 magnetiseerimispiikide elektroodid pingetel 0.01 V, 0.45 V ja 1.4 V, et määrata magnetilise muutuse allikas. Tulemused näitavad, et magnetmoment on võtmetegur, mis mõjutab magnetilist muutust, kuna O-süsteemi mõõdetud Fe0 / Li2Ms ei mõjuta magnetiline anisotroopia ja osakestevaheline side.

Fe3O4 edasiseks mõistmiseks Elektroodide kineetilised omadused madalpingel, tsükliline voltammeetria erinevatel skaneerimiskiirustel. Nagu on näidatud joonisel 4a, on ristkülikukujuline tsükliline voltammogrammi kõver pingevahemikus 0.01 V kuni 1 V (joonis 4a). Joonisel fig 4b on näidatud, et elektroodil tekkis Fe3O4A mahtuvuslik reaktsioon. Konstantse voolu laadimis- ja tühjenemisprotsessi väga pöörduva magnetreaktsiooniga (joonis 4c) vähenes elektroodi magnetiseerimine tühjendusprotsessi ajal 1 V-lt 0.01 V-ni ja laadimisprotsessi ajal taas suurenes, mis näitab, et kondensaatorilaadne Fe0Of pinnareaktsioon on väga pöörduv.

Joonis 4 elektrokeemilised omadused ja in situ magnetiline iseloomustus pingel 0.011 V. (A) Tsükliline voltammeetriline kõver. (B) b väärtus määratakse tippvoolu ja skaneerimiskiiruse vahelise korrelatsiooni abil; c) magnetiseerimise pöörduv muutus laengu-tühjenemise kõvera suhtes 5 T rakendatud magnetvälja all.

ülalmainitud Fe3O4Elektroodide elektrokeemilised, struktuursed ja magnetilised omadused näitavad, et aku lisamahtuvuse määrab Fe0. Nanoosakeste spin-polariseeritud pinnamahtuvus on põhjustatud kaasnevatest magnetilistest muutustest. Spin-polariseeritud mahtuvus tuleneb spin-polariseeritud laengu akumuleerumisest liidesel ja võib laadimise ja tühjenemise ajal kuvada magnetreaktsiooni. Fe3O4-le Aluselektrood dispergeeriti esimese tühjendusprotsessi ajal O-substraadis olevates Li2Fine Fe nanoosakestes. suured pinna-mahu suhted ja saavutavad kõrgelt lokaliseeritud d-orbitaalide tõttu Fermi tasemel olekute suure tiheduse. Vastavalt Maieri ruumilise laengu salvestamise teoreetilisele mudelile teevad autorid ettepaneku, et metalliliste Fe-nanoosakeste spin-lõhestavatesse ribadesse saab salvestada suuri koguseid elektrone, mida võib leida Fe / Li2-st. Joonis 5).

graafik 5Fe/Li2A O-liideses paiknevate spin-polariseeritud elektronide pinnamahtuvuse skemaatiline esitus.(A) ferromagnetiliste metalliosakeste pinna spin-polarisatsiooni olekutiheduse skemaatiline diagramm (enne ja pärast tühjendamist), vastupidiselt raua põhiline spin-polarisatsioon; (b) ruumilaengu piirkonna moodustumine ülesalvestatud liitiumi pinnakondensaatori mudelis.

Kokkuvõte ja Outlook

TM / Li uuriti täiustatud in situ magnetilise monitooringuga2. O nanokomposiidi sisemise elektroonilise struktuuri areng, et paljastada selle liitiumioonaku täiendava salvestusmahu allikas. Tulemused näitavad, et nii Fe3O4 / Li mudelrakkude süsteemis võivad elektrokeemiliselt redutseeritud Fe nanoosakesed salvestada suures koguses spin-polariseeritud elektrone, mis on tingitud raku liigsest mahust ja oluliselt muutunud liidese magnetismist. Katsed kinnitasid veelgi CoO, NiO ja FeF2Ja Fe2 Sellise mahtuvuse olemasolu N-elektroodi materjalis näitab metalli nanoosakeste spin-polariseeritud pinnamahtuvust liitiumioonakudes ja loob aluse selle ruumilise laengu salvestamise mehhanismi rakendamisele muus üleminekus. metalliühendil põhinevad elektroodmaterjalid.

Kirjanduse link

Täiendav mälumaht siirdemetalloksiid-liitiumioonakudes, mis ilmnes in situ magnetomeetria abil (Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

Liitiumelektroodiplaadi konstruktsioonivalemi ja elektroodiplaadi defektide mõju jõudlusele

1. Pole filmide disaini vundamendi artikkel

Liitiumaku elektrood on osakestest koosnev kate, mis kantakse ühtlaselt metallivedelikule. Liitiumioonaku elektroodi katet võib pidada komposiitmaterjaliks, mis koosneb peamiselt kolmest osast:

(1) Toimeaine osakesed;

(2) juhtiva aine ja aine koostisfaas (süsinikadhesiivne faas);

(3) Poor, täitke elektrolüüdiga.

Iga faasi mahusuhet väljendatakse järgmiselt:

Poorsus + elusaine mahuosa + süsinikliimi faasi mahuosa =1

Liitiumaku elektroodide kujundus on väga oluline ja nüüd tutvustatakse lühidalt liitiumaku elektroodide disaini põhiteadmisi.

(1) Elektroodi materjali teoreetiline mahtuvus Elektroodi materjali teoreetiline mahtuvus, st kõigi elektrokeemilises reaktsioonis osalevas materjalis sisalduvate liitiumioonide võimsus, selle väärtus arvutatakse järgmise võrrandi abil:

Näiteks LiFePO4 molaarmass on 157.756 g/mol ja selle teoreetiline maht on:

See arvutatud väärtus on ainult teoreetiline grammi mahutavus. Materjali pöörduva struktuuri tagamiseks on tegelik liitiumioonide eemaldamise koefitsient väiksem kui 1 ja materjali tegelik grammmaht on:

Materjali tegelik grammmaht = liitiumioonide lahtiühendamiskoefitsiendi teoreetiline maht

(2) Aku projekteeritud mahutavus ja äärmiselt ühekülgne tihedus Aku projekteerimisvõimsust saab arvutada järgmise valemiga: aku projekteerimisvõimsus = katte pinna tihedus aktiivse materjali suhe aktiivse materjali grammi mahutavusega pooluslehe kattepindala

Nende hulgas on katte pinnatihedus peamine disainiparameeter. Kui tihendustihedus ei muutu, tähendab kattepinna tiheduse suurenemine pooluse lehe paksuse suurenemist, elektronide ülekandekauguse suurenemist ja elektronide takistuse suurenemist, kuid suurenemise aste on piiratud. Paksus elektroodilehes on liitiumioonide migratsioonitakistuse suurenemine elektrolüüdis peamine põhjus, mis mõjutab suhte omadusi. Arvestades poorsust ja pooride keerdumisi, on ioonide migratsioonikaugus pooris mitu korda suurem pooluse lehe paksusest.

(3) Negatiivse ja positiivse võimsuse suhte N / P negatiivse võimsuse ja positiivse võimsuse suhe on määratletud järgmiselt:

N / P peaks olema suurem kui 1.0, üldiselt 1.04 ~ 1.20, mis on peamiselt ohutuskonstruktsioonis, et vältida negatiivse külje liitiumioonide sadestumist ilma vastuvõtuallikata, projekteerimisel võetakse arvesse protsessi läbilaskevõimet, näiteks katte kõrvalekaldeid. Kui aga N / P on liiga suur, kaotab aku pöördumatult mahu, mille tulemuseks on madal aku võimsus ja aku energiatihedus.

Liitiumtitanaadi anoodi puhul kasutatakse positiivse elektroodi liigset konstruktsiooni ja aku mahutavus määratakse liitiumtitanaadi anoodi mahu järgi. Positiivne liigne disain aitab parandada aku kõrge temperatuuri jõudlust: kõrge temperatuuriga gaas pärineb peamiselt negatiivsest elektroodist. Positiivse liigse kujunduse korral on negatiivne potentsiaal madal ja liitiumtitanaadi pinnale on lihtsam moodustada SEI-kilet.

(4) Katte tihendustihedus ja poorsus Tootmisprotsessis arvutatakse akuelektroodi katte tihendustihedus järgmise valemiga. Arvestades, et postpleki valtsimisel pikendatakse metallfoolium, arvutatakse katte pinnatihedus pärast rullimist järgmise valemiga.

Nagu varem mainitud, koosneb kattekiht elusmaterjali faasist, süsinikliimi faasist ja pooridest ning poorsuse saab arvutada järgmise võrrandi abil.

Nende hulgas on katte keskmine tihedus: liitiumaku elektrood on omamoodi kattepulbriosakesed, kuna pulbriosakeste pind on kare, ebakorrapärase kujuga, akumuleerumisel on osakeste ja osakeste vahel ning mõnel osakesel endal on praod ja poorid, seega pulbri maht, sealhulgas pulbri maht, pulbriosakeste ja osakeste vahelised poorid, seega vastav elektroodide katte tiheduse ja poorsuse esitus. Pulbriosakeste tihedus viitab pulbri massile ruumalaühiku kohta. Pulbri mahu järgi jaguneb see kolme liiki: tegelik tihedus, osakeste tihedus ja akumulatsioonitihedus. Erinevad tihedused on määratletud järgmiselt:

1. Tegelik tihedus viitab tihedusele, mis saadakse pulbri massi jagamisel ruumalaga (tegelik maht), jättes välja osakeste sisemised ja välimised pilud. See tähendab, aine enda tihedus, mis saadakse pärast kõigi tühimike mahtude väljajätmist.
2. Osakeste tihedus viitab osakeste tihedusele, mis saadakse pulbri massi jagamisel osakeste mahuga, sealhulgas avatud ava ja suletud ava. See tähendab, et tühimik osakeste vahel, kuid mitte peened poorid osakeste sees, osakeste endi tihedus.
3. Akumulatsioonitihedus, see tähendab katte tihedus, viitab tihedusele, mis saadakse pulbri massi jagamisel pulbrist moodustatud kattekihi mahuga. Kasutatav maht hõlmab osakeste endi poore ja osakeste vahelisi tühimikke.

Sama pulbri puhul tegelik tihedus> osakeste tihedus> pakkimistihedus. Pulbri poorsus on pulberosakeste katte pooride suhe, st pulbriosakeste ja osakeste pooride vahelise tühimiku ja katte kogumahu suhe, mida tavaliselt väljendatakse protsentides. Pulbri poorsus on kõikehõlmav omadus, mis on seotud osakeste morfoloogia, pinna oleku, osakeste suuruse ja suurusjaotusega. Selle poorsus mõjutab otseselt elektrolüütide ja liitiumioonide ülekande infiltratsiooni. Üldiselt, mida suurem on poorsus, seda lihtsam on elektrolüüdi infiltratsioon ja seda kiirem on liitiumioonide ülekanne. Seetõttu kasutatakse liitiumaku projekteerimisel mõnikord poorsuse kindlaksmääramiseks tavaliselt kasutatavat elavhõbeda rõhu meetodit, gaasi adsorptsiooni meetodit jne. Võib saada ka tiheduse arvutamise abil. Poorsusel võib olla ka erinev mõju, kui arvutustes kasutatakse erinevaid tihedusi. Kui elusaine, juhtiva aine ja sideaine poorsuse tihedus arvutatakse tegeliku tiheduse järgi, hõlmab arvutatud poorsus osakeste vahelist pilu ja osakeste sees olevat pilu. Kui elusaine, juhtiva aine ja sideaine poorsus arvutatakse osakeste tiheduse järgi, hõlmab arvutatud poorsus osakeste vahelist pilu, kuid mitte osakeste sees olevat pilu. Seetõttu on liitiumaku elektroodi lehe pooride suurus ka mitmemõõtmeline, tavaliselt on osakeste vaheline tühimik mikroni suuruses, samas kui osakeste sees on nanomeetrist submikronini. Poorsetes elektroodides saab transpordiomaduste, nagu efektiivne difusioon ja juhtivus, seost väljendada järgmise võrrandiga:

Kui D0 tähistab materjali enda sisemist difusiooni (juhtivuse) kiirust, siis ε on vastava faasi ruumala ja τ on vastava faasi ringkõverus. Makroskoopilises homogeenses mudelis kasutatakse tavaliselt Bruggemani seost, võttes poorsete elektroodide efektiivse positiivsuse hindamiseks koefitsiendi ɑ = 1.5, XNUMX.

Elektrolüüt täidetakse poorsete elektroodide pooridesse, milles liitiumioonid juhitakse läbi elektrolüüdi, ja liitiumioonide juhtivusomadused on tihedalt seotud poorsusega. Mida suurem on poorsus, seda suurem on elektrolüüdi faasi mahuosa ja seda suurem on liitiumioonide efektiivne juhtivus. Positiivse elektroodi lehel edastatakse elektronid süsinikliimi faasi kaudu, süsinikliimi faasi mahuosa ja süsinikliimi faasi ümbersõit määravad otseselt elektronide efektiivse juhtivuse.

Süsinikliimi faasi poorsus ja mahuosa on vastuolulised ning suur poorsus viib paratamatult süsinikliimi faasi mahuosani, seetõttu on liitiumioonide ja elektronide efektiivsed juhtivusomadused samuti vastuolulised, nagu on näidatud joonisel 2. Kui poorsus väheneb, väheneb liitiumioonide efektiivne juhtivus, samal ajal kui elektronide efektiivne juhtivus suureneb. See, kuidas neid kahte tasakaalustada, on samuti elektroodide disainis kriitiline.

Joonis 2 Poorsuse ning liitiumioonide ja elektronide juhtivuse skemaatiline diagramm

2. Pooluste defektide tüüp ja tuvastamine

 

Praegu võetakse aku pooluste ettevalmistamise käigus kasutusele üha rohkem veebipõhiseid tuvastamistehnoloogiaid, et tõhusalt tuvastada toodete tootmisdefekte, kõrvaldada defektsed tooted ja õigeaegselt tagasisidet anda tootmisliinile, kohandada tootmist automaatselt või käsitsi. protsessi, et vähendada defektide määra.

Postilehtede valmistamisel tavaliselt kasutatavad sidustuvastustehnoloogiad hõlmavad läga karakteristikute tuvastamist, postide lehtede kvaliteedi tuvastamist, mõõtmete tuvastamist ja nii edasi. Näiteks: (1) võrgu viskoossusmõõtur paigaldatakse otse kattemahutisse, et tuvastada reoloogiline probleem. läga omadused reaalajas, testige läga stabiilsust; (2) Röntgeni- või β-kiirguse kasutamine katmisprotsessis, selle kõrge mõõtmistäpsus, kuid suur kiirgus, seadmete kõrge hind ja hooldusprobleemid; (3) Pooluse lehe paksuse mõõtmiseks kasutatakse laseriga võrgus paksuse mõõtmise tehnoloogiat, mõõtmise täpsus võib ulatuda ± 1 μm, see võib kuvada ka mõõdetud paksuse ja paksuse muutumise trendi reaalajas, hõlbustada andmete jälgitavust. ja analüüs; (0) CCD nägemistehnoloogia, st joonmassiivi CCD-d kasutatakse mõõdetud objekti skannimiseks, reaalajas pilditöötluseks ja defektikategooriate analüüsiks, pooluste lehe pinnadefektide mittepurustava veebituvastuse teostamiseks.

Kvaliteedikontrolli vahendina on veebipõhine testimistehnoloogia oluline ka defektide ja aku jõudluse vahelise seose mõistmiseks, et määrata kindlaks pooltoodete kvalifitseeritud/kvalifitseerimata kriteeriumid.

Viimases osas tutvustatakse lühidalt liitium-ioonaku pinnadefektide tuvastamise tehnoloogia uut meetodit, infrapuna termopilditehnoloogiat ning nende erinevate defektide seost elektrokeemilise jõudlusega.konsulteerida D. Mohantyga Mohanty et al. põhjalik uurimus.

(1) Levinud defektid posti lehe pinnal

Joonisel 3 on kujutatud liitiumioonaku elektroodi pinna levinud defektid, kusjuures optiline pilt on vasakul ja termokaamera jäädvustatud pilt paremal.

Joonis 3 Levinud defektid postpleki pinnal: (a, b) punnis ümbris / täitematerjal; (c, d) tilkmaterjal / nõelaauk; e, f) metallist võõrkeha; (g, h) ebaühtlane kate

 

(A, b) kõrgenenud kühm / täitematerjal, sellised defektid võivad tekkida, kui suspensiooni segatakse ühtlaselt või katmiskiirus on ebastabiilne. Liimi ja tahma juhtivate ainete kogunemine toob kaasa madala aktiivainete sisalduse ja polaarsete tablettide kerge kaalu.

 

(c, d) tilk/nõelauk, need defektsed kohad ei ole kaetud ja need tekivad tavaliselt läga mullidest. Need vähendavad aktiivse materjali kogust ja avaldavad kollektorile elektrolüüdi, vähendades seega elektrokeemilist võimsust.

 

(E, f) seadmetesse ja keskkonda sattunud metallist võõrkehad, läga või metallist võõrkehad ning metallist võõrkehad võivad liitiumakudele suurt kahju põhjustada. Suured metalliosakesed kahjustavad otseselt diafragmat, mille tulemuseks on lühis positiivse ja negatiivse elektroodi vahel, mis on füüsiline lühis. Lisaks sellele, kui metallist võõrkeha segatakse positiivsesse elektroodi, suureneb positiivne potentsiaal pärast laadimist, metall lahustub, levib läbi elektrolüüdi ja seejärel sadestub negatiivsele pinnale ning lõpuks torkab diafragma läbi, moodustades lühise, mis on keemilise lahustumise lühis. Akutehase asukohas levinumad metallist võõrkehad on Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS jne.

 

(g, h) ebaühtlane kate, näiteks läga segamine ei ole piisav, osakeste peenuse korral tekivad kergesti triibud, kui osake on suur, mille tulemuseks on ebaühtlane kate, mis mõjutab aku mahutavuse konsistentsi ja ilmub isegi täielikult katteriba puudub, mõjutab mahtuvust ja ohutust.

(2) Pooluse kiibi pinnadefektide tuvastamise tehnoloogia Infrapuna (IR) termopildistamise tehnoloogiat kasutatakse kuivelektroodide väiksemate defektide tuvastamiseks, mis võivad kahjustada liitiumioonakude jõudlust. Kui tuvastatakse elektroodi defekt või saasteaine, märkige see võrgutuvastuse ajal pooluslehele, kõrvaldage see järgnevas protsessis ja andke tootmisliinile tagasisidet ning korrigeerige protsessi õigeaegselt defektide kõrvaldamiseks. Infrapunakiir on teatud tüüpi elektromagnetlaine, millel on sama olemus kui raadiolainetel ja nähtaval valgusel. Spetsiaalset elektroonilist seadet kasutatakse eseme pinna temperatuurijaotuse muutmiseks inimsilma nähtavaks kujutiseks ning objekti pinna temperatuurijaotuse kuvamiseks erinevates värvides nimetatakse infrapuna termopilditehnoloogiaks. Seda elektroonilist seadet nimetatakse infrapuna termokaameraks. Kõik objektid üle absoluutse nulli (-273 ℃) kiirgavad infrapunakiirgust.
Nagu on näidatud joonisel 4, kasutab infrapuna-termiline aproksimaator (IR-kaamera) infrapunadetektorit ja optilist kujutise objektiivi, et võtta vastu mõõdetud sihtobjekti infrapunakiirguse energiajaotusmuster ja peegeldada seda infrapunadetektori valgustundlikule elemendile, et saada infrapuna termopilt, mis vastab soojusjaotusväljale objekti pinnal. Kui objekti pinnal on defekt, muutub temperatuur selles piirkonnas. Seetõttu saab seda tehnoloogiat kasutada ka objekti pinnal olevate defektide tuvastamiseks, eriti sobides mõne defekti korral, mida ei ole võimalik optiliste tuvastusvahenditega eristada. Kui liitiumioonaku kuivatuselektroodi tuvastatakse võrgus, kiiritatakse elektroodi elektroodi esmalt välklambiga, pinna temperatuur muutub ja seejärel tuvastatakse pinnatemperatuur termokaameraga. Soojusjaotuse pilt visualiseeritakse ning pilti töödeldakse ja analüüsitakse reaalajas, et tuvastada pinnadefektid ja need õigeaegselt märgistada.D. Mohanty Uuringu käigus paigaldati kattekihi kuivatusahju väljalaskeava juurde termokaamera, et tuvastada elektroodilehe pinna temperatuurijaotuskujutis.

Joonis 5 (a) on termokaamera tuvastatud NMC positiivse pooluse lehe kattepinna temperatuurijaotuskaart, mis sisaldab väga väikest defekti, mida palja silmaga ei ole võimalik eristada. Marsruudi lõigule vastav temperatuurijaotuse kõver on näidatud sisemises sisendis, kusjuures defektipunktis on temperatuuripipp. Joonisel 5 (b) tõuseb temperatuur lokaalselt vastavas kastis, mis vastab pooluse lehe pinna defektile. joonisel fig. 6 on negatiivse elektroodi lehe pinnatemperatuuri jaotusdiagramm, mis näitab defektide olemasolu, kus temperatuuri tõusu tipp vastab mullile või agregaadile ja temperatuuri languse pindala vastab nõelaaugule või tilgale.

Joonis 5 Positiivse elektroodi lehe pinna temperatuurijaotus

Joonis 6 Negatiivse elektroodi pinna temperatuurijaotus

 

On nha, et temperatuurijaotuse termopildituvastus on hea vahend pooluste lehtede pinnadefektide tuvastamiseks, mida saab kasutada postlehtede valmistamise kvaliteedikontrolliks.3. Pooluse lehe pinnadefektide mõju aku jõudlusele

 

(1) Mõju aku kordaja võimsusele ja Coulombi efektiivsusele

Joonisel 7 on kujutatud agregaadi ja nööpnõela mõjukõverat aku kordaja võimsusele ja küttekeha efektiivsusele. Täitematerjal võib tegelikult parandada aku mahtuvust, kuid vähendada couleni efektiivsust. Nõelauk vähendab aku mahtuvust ja Kuluni efektiivsust ning Kuluni efektiivsus väheneb suurel määral.

Joonisel 7 on katood-agregaadi ja nööpnõela mõju aku mahutavusele ja joonisel 8 kujutatud efektiivsusele ebaühtlane kate ning metallist võõrkeha Co ja Al aku mahutavusele ja efektiivsuskõvera mõjule, ebaühtlane kate vähendab aku ühiku massivõimsust 10% - 20%, kuid kogu aku maht vähenes 60%, see näitab, et polaartükis elav mass vähenes oluliselt. Metal Co võõrkehade võimsus ja Coulombi efektiivsus vähenes isegi 2C ja 5C suure suurenduse korral, võimsus puudub, mis võib olla tingitud metalli Co moodustumisest liitiumi ja liitiumi elektrokeemilises reaktsioonis või metalliosakesed blokeeritud diafragma poorid põhjustas mikrolühise.

Joonis 8 Positiivse elektroodi ebaühtlase katte ja metallist võõrkehade Co ja Al mõju aku kordistaja võimsusele ja künni efektiivsusele

Katoodilehe defektide kokkuvõte: Katoodilehe kattes sisalduvad ained vähendavad aku Coulombi efektiivsust. Positiivse katte nõelaauk vähendab Coulombi efektiivsust, mille tulemuseks on halb kordaja jõudlus, eriti suure voolutiheduse korral. Heterogeenne kate näitas halba suurendusjõudlust. Metalliosakeste saasteained võivad põhjustada mikrolühiseid ja seetõttu aku mahtuvust oluliselt vähendada.
Joonisel 9 on kujutatud negatiivse lekke fooliumiriba mõju aku kordaja võimsusele ja Kuluni efektiivsusele. Kui leke toimub negatiivse elektroodi juures, väheneb aku mahtuvus oluliselt, kuid grammimaht ei ole ilmne ja mõju Kuluni efektiivsusele ei ole märkimisväärne.

 

Joonis 9 Negatiivse elektroodi lekke fooliumiriba mõju aku kordistaja võimsusele ja Kuluni efektiivsusele (2) Mõju aku kordistaja tsükli toimimisele Joonis 10 on elektroodi pinnadefekti mõju aku kordisti tsüklile. Mõju tulemused on kokku võetud järgmiselt:
Eraldamine: temperatuuril 2C on 200 tsükli mahutavuse säilitamise määr 70% ja defektse aku puhul 12%, samas kui 5C tsüklis on 200 tsükli mahutavuse säilitamise määr 50% ja defektse aku puhul 14%.
Nõelauk: võimsuse sumbumine on ilmne, kuid ükski kogudefekti sumbumine pole kiire ning 200 tsükli 2C ja 5C suutlikkuse säilitamise määr on vastavalt 47% ja 40%.
Metallist võõrkeha: metallist Co võõrkeha mahutavus on pärast mitut tsüklit peaaegu 0 ja metallist võõrkeha Al-fooliumi 5C tsükli maht väheneb oluliselt.
Lekkeriba: sama lekkepiirkonna puhul väheneb mitme väiksema triibu aku mahutavus kiiremini kui suurema triibu puhul (47% 200 tsükli puhul 5C juures) (7% 200 tsükli puhul 5C juures). See näitab, et mida suurem on triipude arv, seda suurem on mõju aku töötsüklile.

Joonis 10 Elektroodilehe pinnadefektide mõju raku kiiruse tsüklile

 

Viide: [1] Piluga kaetud liitiumaku sekundaarsete akuelektroodide mittepurustav hindamine in-line laseri nihiku ja IR termograafia meetoditega [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Effect liitiumioonpatareide elektrokeemilise jõudluse elektroodide tootmisdefektide kohta: Aku rikkeallikate tunnetamine[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70–79.