Desvendando o mistério: capacidade superteórica em baterias de íon-lítio

Por que existe uma bateria de lítio, fenômeno de capacidade superteórica

Em baterias de íon-lítio (LIBs), muitos eletrodos à base de óxido de metal de transição exibem capacidade de armazenamento excepcionalmente alta, além de seu valor teórico. Embora este fenômeno tenha sido amplamente relatado, os mecanismos físico-químicos subjacentes nestes materiais permanecem indefinidos e permanecem uma questão de debate.

Perfil de resultados

Recentemente, o professor Miao Guoxing da Universidade de Waterloo, Canadá, o professor Yu Guihua da Universidade do Texas em Austin, e Li Hongsen e Li Qiang da Universidade de Qingdao publicaram conjuntamente um artigo de pesquisa sobre materiais naturais sob o título "Capacidade de armazenamento extra em baterias de íon-lítio de óxido de metal de transição reveladas por magnetometria in situ". Neste trabalho, os autores utilizaram monitoramento magnético in situ para demonstrar a presença de forte capacitância superficial em nanopartículas metálicas e que um grande número de elétrons polarizados por spin podem ser armazenados em nanopartículas metálicas já reduzidas, o que é consistente com o mecanismo de carga espacial. Além disso, o mecanismo de carga espacial revelado pode ser estendido a outros compostos de metais de transição, fornecendo um guia fundamental para o estabelecimento de sistemas avançados de armazenamento de energia.

Destaques da Pesquisa

(1) Um Fe típico foi estudado usando a técnica de monitoramento magnético in-situ3O4/Evolução da estrutura eletrônica dentro da bateria de Li;

(2) revela que o Fe3O4No sistema /Li, a capacidade de carga superficial é a principal fonte da capacidade extra;

(3) O mecanismo de capacitância superficial das nanopartículas metálicas pode ser estendido a uma ampla gama de compostos de metais de transição.

Texto e guia de texto

1. Caracterização estrutural e propriedades eletroquímicas

O Fe oco monodisperso foi sintetizado por métodos hidrotérmicos convencionais3O4Nanosferas, e então realizado a 100 mAg-1Carga e descarga na densidade de corrente (Figura 1a), a primeira capacidade de descarga é 1718 mAh g-1, 1370 mAhg na segunda e terceira vez, respectivamente- 1E 1,364 mAhg−1, muito mais de 926 mAhg−1A teoria das expectativas. Imagens BF-STEM do produto totalmente descarregado (Figura 1b-c) indicam que após a redução do lítio, as nanoesferas Fe3O4 foram convertidas em nanopartículas menores de Fe medindo cerca de 1 - 3 nm, dispersas no centro de Li2O.

Para demonstrar a mudança no magnetismo durante o ciclo eletroquímico, foi obtida uma curva de magnetização após descarga total para 0.01 V (Figura 1d), mostrando o comportamento superparamagnético devido à formação de nanopartículas.

Figura 1 (a) a 100 mAg-1Fe da ciclagem na densidade de corrente3O4 / Curva de carga e descarga de corrente constante da bateria de Li; (b) totalmente lítio Fe3O4A imagem BF-STEM do eletrodo; (c) a presença de Li nas imagens BF-STEM agregadas de alta resolução de O e Fe; (d) Fe2O3As curvas de histerese do eletrodo antes (preto) e depois (azul), e a curva ajustada de Langevin deste último (roxo).

2. Detecção em tempo real da evolução estrutural e magnética

Com o objetivo de combinar a eletroquímica com Fe3O4Of alterações estruturais e magnéticas ligadas ao Fe3O4, os eletrodos foram submetidos à difração de raios X (DRX) in situ e ao monitoramento magnético in situ. Fe em uma série de padrões de difração de XRD durante a descarga inicial da tensão de circuito aberto (OCV) para 1.2V3O4Os picos de difração não mudaram significativamente em intensidade ou posição (Figura 2a), indicando que o Fe3O4Somente experimentou o processo de intercalação de Li. Quando carregado com 3V, a estrutura anti-espinélio Fe3O4 permanece intacta, sugerindo que o processo nesta janela de tensão é altamente reversível. Monitoramento magnético in-situ adicional combinado com testes de carga-descarga de corrente constante foi realizado para investigar como a magnetização evolui em tempo real (Figura 2b).

Figura 2 Caracterização de DRX in situ e monitoramento magnético. (A) DRX in situ; (b) Curva de carga-descarga eletroquímica Fe3O4 sob campo magnético aplicado de 3 T e correspondente resposta magnética reversível in situ.

Para obter uma compreensão mais básica deste processo de conversão em termos de alterações de magnetização, a resposta magnética é coletada em tempo real e a transição de fase correspondente acompanha as reações acionadas eletroquimicamente (Figura 3). É bastante claro que durante a primeira descarga, o Fe3O4A resposta de magnetização dos eletrodos difere dos outros ciclos devido ao Fe durante a primeira litalização3O4Devido à transição de fase irreversível ocorre. Quando o potencial caiu para 0.78 V, a fase Fe3O4A antiespinélio foi convertida para conter Li2A estrutura halita da classe FeO de O, Fe3O4A fase não pode ser restaurada após o carregamento. Correspondentemente, a magnetização cai rapidamente para 0.482 μ b Fe−1. À medida que a litialização prossegue, nenhuma nova fase se formou, e a intensidade dos picos de difração de classe FeO (200) e (220) começou a enfraquecer. Fe3O4 igual Não há pico de XRD significativo retido quando o eletrodo está completamente liializado (Figura 3a). Observe que quando o eletrodo Fe3O4 descarrega de 0.78 V para 0.45 V, a magnetização (de 0.482 μ b Fe−1 aumentou para 1.266 μ bFe−1), isso foi atribuído à reação de conversão de FeO em Fe. Então, no final da descarga, a magnetização diminuiu lentamente para 1.132 μB Fe−1. Esta descoberta sugere que as nanopartículas de Fe0 metálicas totalmente reduzidas ainda podem participar da reação de armazenamento de lítio, reduzindo assim a magnetização dos eletrodos.

Figura 3 Observações in situ da transição de fase e da resposta magnética. (a) Mapa XRD in situ Fe3O4 coletado durante a primeira descarga do eletrodo; (b) Medição de força magnética Fe3O4In situ de ciclos eletroquímicos de células /Li em um campo magnético aplicado de 3 T.

3. Fe0/Li2Capacitância superficial do sistema O

Fe3O4As mudanças magnéticas dos eletrodos ocorrem em baixas tensões, nas quais uma capacidade eletroquímica adicional é provavelmente gerada, sugerindo a presença de portadores de carga não descobertos dentro da célula. Para explorar o potencial mecanismo de armazenamento de lítio, o Fe foi estudado por meio de XPS, STEM e espectro de desempenho magnético3O4Eletrodos de picos de magnetização em 0.01V, 0.45V e 1.4V para determinar a fonte da mudança magnética. Os resultados mostram que o momento magnético é um fator chave que afeta a mudança magnética, porque os valores medidos de Fe0/Li2The Ms do sistema O não são afetados pela anisotropia magnética e pelo acoplamento interpartículas.

Para entender melhor as propriedades cinéticas do Fe3O4 dos eletrodos em baixa tensão, voltametria cíclica em diferentes taxas de varredura. Conforme mostrado na Figura 4a, a curva retangular do voltamograma cíclico aparece dentro da faixa de tensão entre 0.01V e 1V (Figura 4a). A Figura 4b mostra que a resposta capacitiva do Fe3O4A ocorreu no eletrodo. Com a resposta magnética altamente reversível do processo de carga e descarga de corrente constante (Figura 4c), a magnetização do eletrodo diminuiu de 1V para 0.01V durante o processo de descarga e aumentou novamente durante o processo de carga, indicando que Fe0Do tipo capacitor a reação superficial é altamente reversível.

Figura 4 propriedades eletroquímicas e caracterização magnética in situ em 0.011 V. (A) A curva voltamétrica cíclica. (B) o valor b é determinado usando a correlação entre a corrente de pico e a taxa de varredura; (c) a mudança reversível da magnetização em relação à curva de carga-descarga sob um campo magnético aplicado de 5 T.

Fe3O4 acima mencionadoAs características eletroquímicas, estruturais e magnéticas dos eletrodos indicam que a capacidade adicional da bateria é determinada por Fe0A capacitância superficial polarizada por spin das nanopartículas é causada pelas mudanças magnéticas que as acompanham. A capacitância spin-polarizada é o resultado do acúmulo de carga polarizada por spin na interface e pode exibir uma resposta magnética durante a carga e descarga. Para Fe3O4O eletrodo base, durante o primeiro processo de descarga, foi disperso em nanopartículas Li2Fine Fe no substrato O. grandes proporções superfície-volume e realizam uma alta densidade de estados no nível de Fermi devido aos orbitais d altamente localizados. De acordo com o modelo teórico de armazenamento de carga espacial de Maier, os autores propõem que grandes quantidades de elétrons podem ser armazenadas nas bandas de divisão de spin das nanopartículas metálicas de Fe, que podem ser encontradas em Fe / Li2Criando capacitores de superfície polarizados por spin nos nanocompósitos de O ( Figura 5).

gráfico 5Fe/Li2A Representação esquemática da capacitância superficial dos elétrons polarizados por spin na interface O. (A) o diagrama esquemático da densidade do estado de polarização de spin da superfície de partículas metálicas ferromagnéticas (antes e depois da descarga), ao contrário de a polarização de spin em massa do ferro; (b) a formação da região de carga espacial no modelo de capacitor de superfície de lítio sobrearmazenado.

Resumo e Outlook

TM/Li foi investigado por monitoramento magnético in-situ avançado2A evolução da estrutura eletrônica interna do nanocompósito O para revelar a fonte de capacidade de armazenamento adicional para esta bateria de íons de lítio. Os resultados mostram que, tanto no sistema celular modelo Fe3O4/Li, nanopartículas de Fe eletroquimicamente reduzidas podem armazenar grandes quantidades de elétrons polarizados por spin, resultantes da capacidade celular excessiva e do magnetismo interfacial significativamente alterado. Experimentos validaram ainda mais CoO, NiO e FeF2E Fe2A presença de tal capacitância no material do eletrodo N indica a existência de capacitância superficial polarizada por spin de nanopartículas metálicas em baterias de íon de lítio e estabelece as bases para a aplicação deste mecanismo de armazenamento de carga espacial em outras transições materiais de eletrodo à base de compostos metálicos.

Link de literatura

Capacidade extra de armazenamento em baterias de íon-lítio de óxido de metal de transição revelada por magnetometria in situ (Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

A influência da fórmula do projeto do wafer do eletrodo de lítio e dos defeitos do wafer do eletrodo no desempenho

1. Artigo de base para design de filme de pólo

O eletrodo da bateria de lítio é um revestimento composto por partículas, aplicado uniformemente ao fluido metálico. O revestimento do eletrodo da bateria de íon de lítio pode ser considerado um material compósito, composto principalmente de três partes:

(1) Partículas de substância ativa;

(2) a fase constituinte do agente condutor e do agente (fase adesiva de carbono);

(3) Poro, preencha com o eletrólito.

A relação de volume de cada fase é expressa como:

Porosidade + fração volumétrica de matéria viva + fração volumétrica da fase adesiva de carbono =1

O design do eletrodo da bateria de lítio é muito importante e agora o conhecimento básico do design do eletrodo da bateria de lítio é brevemente apresentado.

(1) Capacidade teórica do material do eletrodo A capacidade teórica do material do eletrodo, ou seja, a capacidade fornecida por todos os íons de lítio do material envolvido na reação eletroquímica, seu valor é calculado pela seguinte equação:

Por exemplo, a massa molar do LiFePO4 é 157.756 g/mol e sua capacidade teórica é:

Este valor calculado é apenas a capacidade teórica em gramas. A fim de garantir a estrutura reversível do material, o coeficiente real de remoção de íons de lítio é inferior a 1 e a capacidade real em gramas do material é:

Capacidade real em gramas do material = capacidade teórica do coeficiente de desconexão de íons de lítio

(2) Capacidade projetada da bateria e densidade extremamente unilateral A capacidade projetada da bateria pode ser calculada pela seguinte fórmula: capacidade projetada da bateria = densidade da superfície do revestimento proporção de material ativo material ativo capacidade grama área de revestimento da folha polar

Entre eles, a densidade superficial do revestimento é um parâmetro chave do projeto. Quando a densidade de compactação permanece inalterada, o aumento da densidade da superfície do revestimento significa que a espessura da folha polar aumenta, a distância de transmissão de elétrons aumenta e a resistência dos elétrons aumenta, mas o grau de aumento é limitado. Na folha espessa do eletrodo, o aumento da impedância de migração dos íons de lítio no eletrólito é o principal motivo que afeta as características da relação. Considerando a porosidade e as torções dos poros, a distância de migração dos íons no poro é muitas vezes maior que a espessura da folha polar.

(3) A relação entre a relação entre capacidade negativa e positiva N / P capacidade negativa e capacidade positiva é definida como:

N / P deve ser maior que 1.0, geralmente 1.04 ~ 1.20, que é principalmente no projeto de segurança, para evitar a precipitação do íon de lítio do lado negativo sem fonte de aceitação, projeto para considerar a capacidade do processo, como desvio de revestimento. No entanto, quando N/P for muito grande, a bateria perderá capacidade irreversível, resultando em baixa capacidade e menor densidade de energia da bateria.

Para o ânodo de titanato de lítio, o design de excesso de eletrodo positivo é adotado e a capacidade da bateria é determinada pela capacidade do ânodo de titanato de lítio. O design de excesso positivo contribui para melhorar o desempenho de alta temperatura da bateria: o gás de alta temperatura vem principalmente do eletrodo negativo. No projeto com excesso positivo, o potencial negativo é baixo e é mais fácil formar filme SEI na superfície do titanato de lítio.

(4) Densidade de compactação e porosidade do revestimento No processo de produção, a densidade de compactação do revestimento do eletrodo da bateria é calculada pela seguinte fórmula. Considerando que quando a folha polar é enrolada, a folha metálica é estendida, a densidade superficial do revestimento após o rolo é calculada pela seguinte fórmula.

Conforme mencionado anteriormente, o revestimento consiste em fase de material vivo, fase adesiva de carbono e poro, e a porosidade pode ser calculada pela seguinte equação.

Entre eles, a densidade média do revestimento é: o eletrodo da bateria de lítio é uma espécie de partículas de pó de revestimento, porque a superfície da partícula de pó é áspera e de formato irregular, quando se acumula, partículas entre partículas e partículas, e algumas partículas em si apresentam rachaduras e poros, portanto, o volume do pó inclui o volume do pó, os poros entre as partículas do pó e as partículas, portanto, a variedade correspondente de densidade de revestimento do eletrodo e representação da porosidade. A densidade das partículas de pó refere-se à massa do pó por unidade de volume. De acordo com o volume do pó, ele é dividido em três tipos: densidade verdadeira, densidade de partículas e densidade de acumulação. As várias densidades são definidas da seguinte forma:

1. A densidade verdadeira refere-se à densidade obtida dividindo a massa do pó pelo volume (volume real) excluindo as lacunas internas e externas das partículas. Ou seja, a densidade da própria matéria obtida após a exclusão do volume de todos os vazios.
2. A densidade das partículas refere-se à densidade das partículas obtida pela divisão da massa do pó dividida pelo volume da partícula incluindo o furo aberto e o furo fechado. Isto é, a lacuna entre as partículas, mas não os poros finos dentro das partículas, a densidade das próprias partículas.
3. A densidade de acumulação, ou seja, a densidade do revestimento, refere-se à densidade obtida pela massa do pó dividida pelo volume do revestimento formado pelo pó. O volume utilizado inclui os poros das próprias partículas e os vazios entre as partículas.

Para o mesmo pó, densidade verdadeira> densidade de partículas> densidade de empacotamento. A porosidade do pó é a proporção dos poros no revestimento de partículas de pó, ou seja, a proporção do volume do vazio entre as partículas de pó e os poros das partículas para o volume total do revestimento, que é comumente expresso como uma porcentagem. A porosidade do pó é uma propriedade abrangente relacionada à morfologia das partículas, estado da superfície, tamanho das partículas e distribuição do tamanho das partículas. Sua porosidade afeta diretamente a infiltração de eletrólitos e a transmissão de íons de lítio. Em geral, quanto maior a porosidade, mais fácil será a infiltração do eletrólito e mais rápida será a transmissão do íon lítio. Portanto, no projeto da bateria de lítio, às vezes para determinar a porosidade, o método comumente usado de pressão de mercúrio, método de adsorção de gás, etc. A porosidade também pode ter implicações diferentes quando se utilizam densidades diferentes para os cálculos. Quando a densidade da porosidade da substância viva, do agente condutor e do aglutinante é calculada pela densidade verdadeira, a porosidade calculada inclui a lacuna entre as partículas e a lacuna dentro das partículas. Quando a porosidade da substância viva, do agente condutor e do aglutinante é calculada pela densidade das partículas, a porosidade calculada inclui o intervalo entre as partículas, mas não o intervalo dentro das partículas. Portanto, o tamanho dos poros da folha do eletrodo da bateria de lítio também é multiescala, geralmente a lacuna entre as partículas está na escala de mícron, enquanto a lacuna dentro das partículas está na escala de nanômetro a sub-submícron. Em eletrodos porosos, a relação das propriedades de transporte, como difusividade efetiva e condutividade, pode ser expressa pela seguinte equação:

Onde D0 representa a taxa de difusão intrínseca (condução) do próprio material, ε é a fração de volume da fase correspondente e τ é a curvatura tortuosa da fase correspondente. No modelo macroscópico homogêneo, geralmente é utilizada a relação de Bruggeman, tomando o coeficiente ɑ =1.5 para estimar a positividade efetiva dos eletrodos porosos.

O eletrólito é preenchido nos poros dos eletrodos porosos, nos quais os íons de lítio são conduzidos através do eletrólito, e as características de condução dos íons de lítio estão intimamente relacionadas à porosidade. Quanto maior a porosidade, maior a fração volumétrica da fase eletrolítica e maior a condutividade efetiva dos íons de lítio. Na folha de eletrodo positivo, os elétrons são transmitidos através da fase adesiva de carbono, a fração volumétrica da fase adesiva de carbono e o desvio da fase adesiva de carbono determinam diretamente a condutividade efetiva dos elétrons.

A porosidade e a fração volumétrica da fase adesiva de carbono são contraditórias, e a grande porosidade leva inevitavelmente à fração volumétrica da fase adesiva de carbono, portanto, as propriedades efetivas de condução de íons e elétrons de lítio também são contraditórias, como mostrado na Figura 2 À medida que a porosidade diminui, a condutividade efetiva do íon lítio diminui enquanto a condutividade efetiva do elétron aumenta. Como equilibrar os dois também é fundamental no projeto do eletrodo.

Figura 2 Diagrama esquemático de porosidade e condutividade de íons de lítio e elétrons

2. Tipo e detecção de defeitos nos pólos

 

Atualmente, no processo de preparação do pólo da bateria, cada vez mais tecnologias de detecção on-line são adotadas, de modo a identificar efetivamente os defeitos de fabricação dos produtos, eliminar produtos defeituosos e fornecer feedback oportuno à linha de produção, ajustes automáticos ou manuais à produção processo, para reduzir a taxa defeituosa.

As tecnologias de detecção on-line comumente usadas na fabricação de folhas polares incluem detecção de características de lama, detecção de qualidade de folhas polares, detecção de dimensão e assim por diante. Por exemplo: (1) o medidor de viscosidade online é instalado diretamente no tanque de armazenamento de revestimento para detectar a reologia características da pasta em tempo real, Testar a estabilidade da pasta; (2) Usando raios X ou raios β no processo de revestimento, sua alta precisão de medição, mas grande radiação, alto preço do equipamento e problemas de manutenção; (3) A tecnologia de medição de espessura on-line a laser é aplicada para medir a espessura da folha de pólo. A precisão da medição pode chegar a ± 1 μ m. Também pode exibir a tendência de mudança da espessura medida e da espessura em tempo real, facilita a rastreabilidade dos dados. e análise; (0) Tecnologia de visão CCD, ou seja, o CCD de matriz linear é usado para escanear o objeto medido, processamento de imagem em tempo real e análise de categorias de defeitos, realizando a detecção on-line não destrutiva dos defeitos superficiais da folha polar.

Como ferramenta de controle de qualidade, a tecnologia de testes online também é essencial para compreender a correlação entre defeitos e desempenho da bateria, de modo a determinar os critérios qualificados/não qualificados para produtos semiacabados.

Na última parte, o novo método de tecnologia de detecção de defeitos de superfície da bateria de íons de lítio, a tecnologia de imagem térmica infravermelha e a relação entre esses diferentes defeitos e o desempenho eletroquímico são brevemente apresentados. consulte D. Mohanty Um estudo completo de Mohanty et al.

(1) Defeitos comuns na superfície da folha polar

A Figura 3 mostra os defeitos comuns na superfície do eletrodo da bateria de íon de lítio, com a imagem óptica à esquerda e a imagem capturada pelo termovisor à direita.

Figura 3 Defeitos comuns na superfície da placa polar: (a, b) envelope bojo/agregado; (c, d) gota de material/pinhole; (e, f) corpo estranho metálico; (g, h) revestimento irregular

 

(A, b) protuberância/agregado elevado, tais defeitos podem ocorrer se a pasta for agitada uniformemente ou se a velocidade de revestimento for instável. A agregação de agentes condutores adesivos e de negro de fumo leva a um baixo teor de ingredientes ativos e peso leve de comprimidos polares.

 

(c, d) gota/pinhole, essas áreas defeituosas não são revestidas e geralmente são produzidas por bolhas na lama. Reduzem a quantidade de material ativo e expõem o coletor ao eletrólito, reduzindo assim a capacidade eletroquímica.

 

(E, f) corpos estranhos metálicos, lama ou corpos estranhos metálicos introduzidos no equipamento e no ambiente, e corpos estranhos metálicos podem causar grandes danos às baterias de lítio. Grandes partículas metálicas prejudicam diretamente o diafragma, resultando em um curto-circuito entre os eletrodos positivo e negativo, que é um curto-circuito físico. Além disso, quando o corpo estranho metálico é misturado ao eletrodo positivo, o potencial positivo aumenta após o carregamento, o metal se dissolve, se espalha pelo eletrólito e, em seguida, precipita na superfície negativa e, finalmente, perfura o diafragma, formando um curto-circuito, que é um curto-circuito de dissolução química. Os corpos estranhos metálicos mais comuns nas fábricas de baterias são Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS, etc.

 

(g, h) revestimento irregular, como a mistura da pasta não é suficiente, a finura da partícula é fácil de aparecer listras quando a partícula é grande, resultando em revestimento irregular, o que afetará a consistência da capacidade da bateria, e até mesmo aparecerá completamente sem faixa de revestimento, tem impacto na capacidade e segurança.

(2) Tecnologia de detecção de defeitos na superfície do chip de pólo A tecnologia de imagem térmica infravermelha (IR) é usada para detectar pequenos defeitos em eletrodos secos que podem danificar o desempenho das baterias de íons de lítio. Durante a detecção on-line, caso seja detectado defeito do eletrodo ou poluente, marque-o na folha polar, elimine-o no processo subsequente, envie-o para a linha de produção e ajuste o processo a tempo de eliminar os defeitos. O raio infravermelho é um tipo de onda eletromagnética que tem a mesma natureza das ondas de rádio e da luz visível. Um dispositivo eletrônico especial é usado para converter a distribuição de temperatura da superfície de um objeto em uma imagem visível do olho humano, e para exibir a distribuição de temperatura da superfície de um objeto em cores diferentes é chamado de tecnologia de imagem térmica infravermelha. Este dispositivo eletrônico é chamado de termovisor infravermelho. Todos os objetos acima do zero absoluto (-273°C) emitem radiação infravermelha.
Conforme mostrado na Figura 4, o aproximador térmico infravermelho (câmera IR) usa o detector infravermelho e a objetiva de imagem óptica para aceitar o padrão de distribuição de energia da radiação infravermelha do objeto alvo medido e refleti-lo no elemento fotossensível do detector infravermelho para obter o imagem térmica infravermelha, que corresponde ao campo de distribuição térmica na superfície do objeto. Quando há um defeito na superfície de um objeto, a temperatura muda na área. Portanto, esta tecnologia também pode ser utilizada para detectar defeitos na superfície do objeto, especialmente adequada para alguns defeitos que não podem ser distinguidos por meios de detecção óptica. Quando o eletrodo de secagem da bateria de íon de lítio é detectado on-line, o eletrodo do eletrodo é primeiro irradiado pelo flash, a temperatura da superfície muda e, em seguida, a temperatura da superfície é detectada com um termovisor. A imagem da distribuição de calor é visualizada, e a imagem é processada e analisada em tempo real para detectar os defeitos superficiais e marcá-los a tempo.D. Mohanty O estudo instalou um termovisor na saída do forno de secagem do revestidor para detectar a imagem da distribuição de temperatura da superfície da folha do eletrodo.

A Figura 5 (a) é um mapa de distribuição de temperatura da superfície de revestimento da folha polar positiva NMC detectada pelo termovisor, que contém um defeito muito pequeno que não pode ser distinguido a olho nu. A curva de distribuição de temperatura correspondente ao segmento da rota é mostrada no detalhe interno, com um pico de temperatura no ponto do defeito. Na Figura 5 (b), a temperatura aumenta localmente na caixa correspondente, correspondendo ao defeito da superfície da folha polar. FIGO. 6 é um diagrama de distribuição de temperatura superficial da folha de eletrodo negativo mostrando a existência de defeitos, onde o pico de aumento de temperatura corresponde à bolha ou agregado, e a área de diminuição de temperatura corresponde ao furo ou gota.

Figura 5 Distribuição de temperatura da superfície da folha do eletrodo positivo

Figura 6 Distribuição de temperatura da superfície negativa do eletrodo

 

Pode-se observar que a detecção por imagem térmica da distribuição de temperatura é um bom meio de detecção de defeitos na superfície da folha polar, que pode ser usado para o controle de qualidade da fabricação da folha polar.3. Efeito dos defeitos da superfície da folha polar no desempenho da bateria

 

(1) Impacto na capacidade do multiplicador da bateria e na eficiência de Coulomb

A Figura 7 mostra a curva de influência do agregado e pinhole na capacidade multiplicadora da bateria e na eficiência de Coulen. A unidade pode realmente melhorar a capacidade da bateria, mas reduzir a eficiência da bateria. O furo reduz a capacidade da bateria e a eficiência do Kulun, e a eficiência do Kulun diminui muito em taxas altas.

Figura 7 agregado catódico e efeito pinhole na capacidade da bateria e na eficiência da figura 8 é o revestimento irregular, e o corpo estranho metálico Co e Al na capacidade da bateria e o efeito da curva de eficiência, o revestimento irregular reduz a capacidade de massa da unidade da bateria em 10% - 20%, mas toda a capacidade da bateria diminuiu 60%, isso mostra que a massa viva na peça polar foi significativamente reduzida. Corpo estranho de Metal Co capacidade reduzida e eficiência de Coulomb, mesmo em alta ampliação de 2C e 5C, sem capacidade alguma, o que pode ser devido à formação de Co metálico na reação eletroquímica de lítio e lítio incorporado, ou podem ser as partículas metálicas bloqueou o poro do diafragma causando micro curto-circuito.

Figura 8 Efeitos do revestimento irregular do eletrodo positivo e corpos estranhos metálicos Co e Al na capacidade do multiplicador da bateria e eficiência de Coulen

Resumo dos defeitos da folha catódica: O desgaste no revestimento da folha catódica reduz a eficiência Coulomb da bateria. O furo do revestimento positivo reduz a eficiência de Coulomb, resultando em baixo desempenho do multiplicador, especialmente em alta densidade de corrente. O revestimento heterogêneo apresentou baixo desempenho de ampliação. Poluentes de partículas metálicas podem causar microcurtos-circuitos e, portanto, podem reduzir bastante a capacidade da bateria.
A Figura 9 mostra o impacto da tira de vazamento negativo na capacidade multiplicadora e na eficiência Kulun da bateria. Quando o vazamento ocorre no eletrodo negativo, a capacidade da bateria é significativamente reduzida, mas a capacidade em gramas não é óbvia e o impacto na eficiência do Kulun não é significativo.

 

Figura 9 Influência da tira de folha de vazamento do eletrodo negativo na capacidade do multiplicador da bateria e eficiência Kulun (2) Influência no desempenho do ciclo multiplicador da bateria A Figura 10 é o resultado da influência do defeito da superfície do eletrodo no ciclo multiplicador da bateria. Os resultados da influência são resumidos da seguinte forma:
Egregação: em 2C, a taxa de manutenção da capacidade de 200 ciclos é de 70% e a bateria defeituosa é de 12%, enquanto no ciclo 5C, a taxa de manutenção de capacidade de 200 ciclos é de 50% e a bateria defeituosa é de 14%.
Buraco de agulha: a atenuação da capacidade é óbvia, mas nenhuma atenuação de defeito agregado é rápida, e a taxa de manutenção da capacidade de 200 ciclos 2C e 5C é de 47% e 40%, respectivamente.
Corpo estranho de metal: a capacidade do corpo estranho de metal Co é quase 0 após vários ciclos, e a capacidade do ciclo 5C da folha de Al de corpo estranho de metal diminui significativamente.
Faixa de vazamento: Para a mesma área de vazamento, a capacidade da bateria de múltiplas faixas menores diminui mais rapidamente do que uma faixa maior (47% para 200 ciclos em 5C) (7% para 200 ciclos em 5C). Isso indica que quanto maior o número de listras, maior será o impacto no ciclo da bateria.

Figura 10 Efeito dos defeitos superficiais da folha de eletrodo no ciclo de taxa celular

 

Ref.: [1] Avaliação não destrutiva de eletrodos de bateria secundária de lítio revestidos com slot por pinça a laser em linha e métodos de termografia IR [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Efeito de defeitos de fabricação de eletrodos no desempenho eletroquímico de baterias de íon-lítio: Conhecimento das fontes de falha da bateria[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.