پرده برداری از رمز و راز: ظرفیت فوق العاده نظری در باتری های لیتیوم یونی

چرا باتری لیتیومی پدیده ظرفیت فوق العاده نظری وجود دارد

در باتری‌های لیتیوم یونی (LIBs)، بسیاری از الکترودهای مبتنی بر اکسید فلزات واسطه، ظرفیت ذخیره‌سازی غیرمعمولی فراتر از ارزش تئوری خود را نشان می‌دهند. اگرچه این پدیده به طور گسترده گزارش شده است، مکانیسم‌های فیزیکوشیمیایی زیربنایی در این مواد مبهم باقی مانده و موضوع بحث باقی مانده است.

نمایه نتایج

اخیراً پروفسور Miao Guoxing از دانشگاه واترلو، کانادا، پروفسور Yu Guihua از دانشگاه تگزاس در آستین، و Li Hongsen و Li Qiang از دانشگاه Qingdao به طور مشترک یک مقاله تحقیقاتی در مورد مواد طبیعی تحت عنوان "ظرفیت ذخیره اضافی در باتری‌های لیتیوم یون اکسید فلزی انتقالی توسط مغناطیس‌سنجی درجا نشان داده شدند. در این کار، نویسندگان از نظارت مغناطیسی درجا برای نشان دادن وجود ظرفیت سطحی قوی بر روی نانوذرات فلزی استفاده کردند و اینکه تعداد زیادی الکترون قطبی شده اسپین را می‌توان در نانوذرات فلزی از قبل کاهش‌یافته ذخیره کرد، که با مکانیسم بار فضایی سازگار است. علاوه بر این، مکانیسم بار فضایی آشکار شده را می توان به سایر ترکیبات فلزات واسطه گسترش داد و راهنمای کلیدی برای ایجاد سیستم های ذخیره سازی انرژی پیشرفته ارائه کرد.

برجسته تحقیق

(1) آهن معمولی با استفاده از تکنیک نظارت مغناطیسی درجا3O4/ تکامل ساختار الکترونیکی داخل باتری Li مورد مطالعه قرار گرفت.

(2) نشان می دهد که Fe3O4در سیستم / Li، ظرفیت شارژ سطحی منبع اصلی ظرفیت اضافی است.

(3) مکانیسم ظرفیت سطحی نانوذرات فلزی را می توان به طیف وسیعی از ترکیبات فلزات واسطه گسترش داد.

راهنمای متن و متن

1. خصوصیات ساختاری و خواص الکتروشیمیایی

آهن توخالی تک پراکنده با روش‌های هیدروترمال معمولی ۳O3Nanospheres سنتز شد، و سپس در 4 mAg-100 Charge و تخلیه در چگالی جریان انجام شد (شکل 1a)، ظرفیت تخلیه اول 1 mAh g-1718، 1 mAhg به ترتیب در نوبت دوم و سوم است. 1370و 1 mAhg-1,364، بسیار بیشتر از 1 mAhg-926 نظریه انتظارات. تصاویر BF-STEM از محصول کاملاً تخلیه شده (شکل 1b-c) نشان می دهد که پس از احیای لیتیوم، نانوکره های Fe1O3 به نانوذرات آهن کوچکتر با اندازه 4 تا 1 نانومتر، که در مرکز Li3O پراکنده شده اند، تبدیل شدند.

برای نشان دادن تغییر در مغناطیس در طول چرخه الکتروشیمیایی، منحنی مغناطیسی پس از تخلیه کامل تا 0.01 ولت به دست آمد (شکل 1d)، که نشان دهنده رفتار سوپرپارامغناطیس ناشی از تشکیل نانوذرات است.

شکل 1 (الف) در 100 mAg-1Fe چرخه در چگالی جریان3O4/ منحنی شارژ و تخلیه جریان ثابت باتری Li. (ب) کاملاً لیتیوم Fe3O4 تصویر BF-STEM الکترود. (ج) حضور Li در تصاویر BF-STEM با وضوح بالا از O و Fe. (د) Fe2O3 منحنی‌های پسماند الکترود قبل از (سیاه) و بعد (آبی) و منحنی برازش لانگوین دومی (بنفش).

2. تشخیص زمان واقعی تکامل ساختاری و مغناطیسی

به منظور ترکیب الکتروشیمی با تغییرات ساختاری و مغناطیسی Fe3O4Of مرتبط با Fe3O4، الکترودها تحت پراش پرتو ایکس درجا (XRD) و نظارت مغناطیسی درجا قرار گرفتند. آهن در یک سری الگوهای پراش XRD در طول تخلیه اولیه از ولتاژ مدار باز (OCV) به 1.2V3O4، پیک های پراش به طور قابل توجهی در شدت و موقعیت تغییر نکردند (شکل 2a)، که نشان می دهد که Fe3O4Only فرآیند درون یابی لی را تجربه کرده است. هنگامی که به 3 ولت شارژ می شود، ساختار ضد اسپینل Fe3O4 دست نخورده باقی می ماند، که نشان می دهد فرآیند در این پنجره ولتاژ بسیار برگشت پذیر است. نظارت مغناطیسی بیشتر در محل همراه با آزمایش‌های تخلیه شارژ جریان ثابت برای بررسی چگونگی تکامل مغناطیسی در زمان واقعی انجام شد (شکل 2b).

شکل 2 مشخصه XRD درجا و نظارت مغناطیسی. (A) درجا XRD. (ب) منحنی شارژ-تخلیه الکتروشیمیایی Fe3O4 تحت میدان مغناطیسی اعمال شده 3 T و پاسخ مغناطیسی درجا برگشت پذیر مربوطه.

برای به دست آوردن درک اساسی تر از این فرآیند تبدیل از نظر تغییرات مغناطیسی، پاسخ مغناطیسی در زمان واقعی و انتقال فاز مربوطه همراه با واکنش های الکتروشیمیایی رانده می شود (شکل 3). کاملاً واضح است که در اولین تخلیه، واکنش مغناطیس شدن الکترودها به دلیل آهن در اولین لیتالیزاسیون3O4 با چرخه های دیگر متفاوت است و به دلیل انتقال فاز برگشت ناپذیر رخ می دهد. هنگامی که پتانسیل به 3 ولت کاهش یافت، فاز ضد اسپینل Fe4O0.78 تبدیل شد به ساختار هالیت Li3The کلاس FeO O، فاز Fe4O2 پس از شارژ شدن قابل بازیابی نیست. به همین ترتیب، مغناطش به سرعت به 3 μb Fe-4 کاهش می یابد. با ادامه لیتیالیزاسیون، فاز جدیدی تشکیل نشد و شدت پیک های پراش FeO کلاس (0.482) و (1) شروع به ضعیف شدن کرد. برابر Fe200O220 هیچ پیک XRD قابل توجهی در زمانی که الکترود کاملاً لیالیزه می شود حفظ نمی شود (شکل 3a). توجه داشته باشید که وقتی الکترود Fe4O3 از 3 ولت به 4 ولت تخلیه می شود، مغناطش (از 0.78 μb Fe-0.45 به 0.482 μbFe-1 افزایش یافت)، این به واکنش تبدیل از FeO به Fe نسبت داده شد. سپس، در پایان تخلیه، مغناطش به آرامی به 1.266μB Fe-1 کاهش یافت. این یافته نشان می‌دهد که نانوذرات فلزی کاملاً احیا شده Fe1.132 همچنان ممکن است در واکنش ذخیره‌سازی لیتیوم شرکت کنند، بنابراین مغناطش الکترودها را کاهش می‌دهند.

شکل 3 مشاهدات درجا از انتقال فاز و پاسخ مغناطیسی. (a) نقشه Fe3O4In درجا XRD جمع آوری شده در طول اولین تخلیه الکترود. (ب) اندازه‌گیری نیروی مغناطیسی درجا Fe3O4 چرخه‌های الکتروشیمیایی سلول‌های Li/Li در میدان مغناطیسی اعمال‌شده 3 T.

3. ظرفیت سطحی Fe0/Li2 سیستم O

Fe3O4 تغییرات مغناطیسی الکترودها در ولتاژهای پایین اتفاق می افتد، که در آن ظرفیت الکتروشیمیایی اضافی به احتمال زیاد ایجاد می شود، که نشان دهنده وجود حامل های بار کشف نشده در سلول است. برای کشف مکانیسم ذخیره سازی لیتیوم پتانسیل، آهن با استفاده از XPS، STEM و طیف عملکرد مغناطیسی 3O4 الکترودهای پیک های مغناطیسی در 0.01V، 0.45V و 1.4V مورد مطالعه قرار گرفت تا منبع تغییر مغناطیسی تعیین شود. نتایج نشان می‌دهد که گشتاور مغناطیسی یک عامل کلیدی است که بر تغییر مغناطیسی تأثیر می‌گذارد، زیرا Ms Fe0/Li2 اندازه‌گیری‌شده سیستم O تحت تأثیر ناهمسانگردی مغناطیسی و جفت ذره‌ای قرار نمی‌گیرد.

برای درک بیشتر ویژگی های جنبشی Fe3O4 الکترودها در ولتاژ پایین، ولتامتری چرخه ای با نرخ های مختلف اسکن. همانطور که در شکل 4a نشان داده شده است، منحنی ولتاموگرام حلقوی مستطیلی در محدوده ولتاژ بین 0.01 ولت و 1 ولت ظاهر می شود (شکل 4a). شکل 4b نشان می دهد که پاسخ خازنی Fe3O4A روی الکترود رخ داده است. با پاسخ مغناطیسی بسیار برگشت پذیر فرآیند شارژ و دشارژ جریان ثابت (شکل 4c)، مغناطش الکترود از 1 ولت به 0.01 ولت در طول فرآیند تخلیه کاهش یافت و دوباره در طی فرآیند شارژ افزایش یافت، که نشان می دهد که Fe0Of خازن مانند است. واکنش سطحی بسیار برگشت پذیر است.

شکل 4 خواص الکتروشیمیایی و خصوصیات مغناطیسی درجا در 0.011 V. (A) منحنی ولتامتری حلقوی. (B) مقدار b با استفاده از همبستگی بین جریان پیک و سرعت اسکن تعیین می‌شود. (ج) تغییر برگشت پذیر مغناطش نسبت به منحنی شارژ- تخلیه تحت یک میدان مغناطیسی اعمال شده 5 T.

ویژگی های الکتروشیمیایی، ساختاری و مغناطیسی الکترودها نشان می دهد که ظرفیت اضافی باتری توسط Fe3 تعیین می شود. ظرفیت سطحی قطبش اسپین نانوذرات ناشی از تغییرات مغناطیسی همراه است. ظرفیت خازنی قطبی شده اسپینی نتیجه تجمع بار پلاریزه اسپینی در سطح مشترک است و می تواند پاسخ مغناطیسی را در حین شارژ و تخلیه نشان دهد. به Fe4O0 الکترود پایه، در طی اولین فرآیند تخلیه، در نانوذرات Fe Li3Fine در بستر O پراکنده شد. نسبت سطح به حجم بزرگ و متوجه چگالی بالایی از حالت ها در سطح فرمی به دلیل اوربیتال های d بسیار موضعی است. با توجه به مدل نظری Maier در مورد ذخیره بار فضایی، نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که می‌توان مقادیر زیادی الکترون را در نوارهای اسپین‌شکن نانوذرات فلزی آهن ذخیره کرد، که ممکن است در خازن‌های سطحی Fe/Li4Creating در نانوکامپوزیت‌های O یافت شود. شکل 2).

نمودار 5Fe/Li2A نمایش شماتیک ظرفیت سطح الکترون های قطبی شده با اسپین در رابط O. (الف) نمودار شماتیک چگالی حالت قطبش اسپین سطح ذرات فلز فرومغناطیسی (قبل و بعد از تخلیه)، بر خلاف قطبش اسپین فله ای آهن؛ (ب) تشکیل ناحیه بار فضایی در مدل خازن سطحی لیتیوم بیش از حد ذخیره شده.

خلاصه و چشم انداز

TM/Li توسط مانیتورینگ مغناطیسی درجای پیشرفته مورد بررسی قرار گرفت. تکامل ساختار الکترونیکی داخلی نانوکامپوزیت O برای آشکار کردن منبع ظرفیت ذخیره سازی اضافی برای این باتری لیتیوم یونی. نتایج نشان می‌دهد که هم در سیستم سلولی مدل Fe2O3/Li، نانوذرات آهن کاهش‌یافته الکتروشیمیایی می‌توانند مقادیر زیادی الکترون‌های قطبی شده اسپین را ذخیره کنند که به دلیل ظرفیت بیش از حد سلول و تغییر قابل توجهی مغناطیس سطحی است. آزمایش‌ها CoO، NiO، و FeF4And Fe2 را تأیید کردند. وجود چنین ظرفیتی در مواد الکترود N نشان‌دهنده وجود ظرفیت سطحی قطبش اسپینی نانوذرات فلزی در باتری‌های لیتیوم یونی است و پایه‌ای را برای کاربرد این مکانیسم ذخیره‌سازی بار فضایی در دیگر انتقال‌ها ایجاد می‌کند. مواد الکترود مبتنی بر ترکیب فلزی

لینک ادبیات

ظرفیت ذخیره اضافی در باتری‌های لیتیوم-یون اکسید فلزی انتقالی که توسط مغناطیس‌سنجی درجا آشکار شد (Nature Materials، 2020، DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

تأثیر فرمول طراحی ویفر الکترود لیتیوم و نقص ویفر الکترود بر عملکرد

1. مقاله پایه طراحی فیلم قطبی

الکترود باتری لیتیومی پوششی متشکل از ذرات است که به طور یکنواخت روی سیال فلزی اعمال می شود. پوشش الکترود باتری لیتیوم یون را می توان به عنوان یک ماده کامپوزیت در نظر گرفت که عمدتا از سه قسمت تشکیل شده است:

(1) ذرات ماده فعال؛

(2) فاز تشکیل دهنده عامل رسانا و عامل (فاز چسب کربن)؛

(3) منافذ، با الکترولیت پر کنید.

رابطه حجمی هر فاز به صورت زیر بیان می شود:

تخلخل + کسر حجمی ماده زنده + کسر حجمی فاز چسب کربن = 1

طراحی طراحی الکترود باتری لیتیومی بسیار مهم است و اکنون دانش اولیه طراحی الکترود باتری لیتیومی به اختصار معرفی می شود.

(1) ظرفیت نظری مواد الکترود ظرفیت نظری ماده الکترود، یعنی ظرفیتی که توسط تمام یون‌های لیتیوم در ماده درگیر در واکنش الکتروشیمیایی ارائه می‌شود، مقدار آن با معادله زیر محاسبه می‌شود:

به عنوان مثال، جرم مولی LiFePO4The 157.756 گرم بر مول است و ظرفیت نظری آن عبارت است از:

این مقدار محاسبه شده تنها ظرفیت گرم نظری است. به منظور اطمینان از ساختار برگشت پذیر ماده، ضریب حذف واقعی یون لیتیوم کمتر از 1 است و ظرفیت گرم واقعی مواد:

ظرفیت واقعی گرم ماده = ظرفیت نظری ضریب جداسازی یون لیتیوم

(2) ظرفیت طراحی باتری و چگالی بسیار یک طرفه ظرفیت طراحی باتری را می توان با فرمول زیر محاسبه کرد: ظرفیت طراحی باتری = نسبت مواد فعال چگالی سطح پوشش نسبت مواد فعال ظرفیت مواد گرم منطقه پوشش ورق قطب

در میان آنها، چگالی سطح پوشش یک پارامتر کلیدی طراحی است. هنگامی که چگالی تراکم بدون تغییر است، افزایش چگالی سطح پوشش به این معنی است که ضخامت ورق قطب افزایش می‌یابد، فاصله انتقال الکترون افزایش می‌یابد و مقاومت الکترون افزایش می‌یابد، اما درجه افزایش محدود است. در ورق الکترود ضخیم، افزایش امپدانس مهاجرت یون‌های لیتیوم در الکترولیت دلیل اصلی تأثیرگذاری بر ویژگی‌های نسبت است. با توجه به تخلخل و پیچش منافذ، فاصله مهاجرت یون ها در منافذ چندین برابر ضخامت ورق قطب است.

(3) نسبت ظرفیت منفی - مثبت ظرفیت منفی N / P ظرفیت منفی به ظرفیت مثبت به صورت زیر تعریف می شود:

N / P باید بیشتر از 1.0 باشد، به طور کلی 1.04 ~ 1.20، که عمدتا در طراحی ایمنی است، برای جلوگیری از بارندگی یون لیتیوم سمت منفی بدون منبع پذیرش، طراحی برای در نظر گرفتن ظرفیت فرآیند، مانند انحراف پوشش. با این حال، زمانی که N/P خیلی بزرگ باشد، باتری ظرفیت غیرقابل برگشتی را از دست می دهد و در نتیجه ظرفیت باتری کم و تراکم انرژی باتری کمتر می شود.

برای آند لیتیوم تیتانات، طرح اضافی الکترود مثبت اتخاذ می شود و ظرفیت باتری با ظرفیت آند لیتیوم تیتانات تعیین می شود. طراحی اضافی مثبت برای بهبود عملکرد باتری در دمای بالا مفید است: گاز دمای بالا عمدتاً از الکترود منفی می آید. در طراحی اضافی مثبت، پتانسیل منفی کم است و تشکیل فیلم SEI روی سطح لیتیوم تیتانات آسان تر است.

(4) چگالی تراکم و تخلخل پوشش در فرآیند تولید، چگالی تراکم پوشش الکترود باتری با فرمول زیر محاسبه می شود. با توجه به اینکه وقتی ورق قطب رول می شود، فویل فلزی کشیده می شود، چگالی سطح پوشش بعد از غلتک با فرمول زیر محاسبه می شود.

همانطور که قبلا ذکر شد، پوشش شامل فاز ماده زنده، فاز چسب کربن و منافذ است و تخلخل را می توان با معادله زیر محاسبه کرد.

در میان آنها، تراکم متوسط ​​پوشش عبارت است از: الکترود باتری لیتیومی نوعی ذرات پودری پوشش است، زیرا سطح ذرات پودر ناهموار، شکل نامنظم، هنگام تجمع، ذرات بین ذرات و ذرات و برخی از ذرات خود دارای ترک و منافذ هستند. بنابراین حجم پودر شامل حجم پودر، منافذ بین ذرات پودر و ذرات، بنابراین، تنوع مربوطه از چگالی پوشش الکترود و نمایش تخلخل. چگالی ذرات پودر به جرم پودر در واحد حجم اشاره دارد. با توجه به حجم پودر، به سه نوع تقسیم می شود: چگالی واقعی، چگالی ذرات و چگالی تجمع. چگالی های مختلف به صورت زیر تعریف می شوند:

1. چگالی واقعی به چگالی به دست آمده از تقسیم جرم پودر بر حجم (حجم واقعی) بدون احتساب شکاف های داخلی و خارجی ذرات اشاره دارد. یعنی چگالی خود ماده پس از حذف حجم همه حفره ها به دست می آید.
2. چگالی ذرات به چگالی ذرات به دست آمده از تقسیم جرم پودر تقسیم بر حجم ذرات از جمله سوراخ باز و سوراخ بسته اشاره دارد. یعنی شکاف بین ذرات، اما نه منافذ ریز داخل ذرات، چگالی خود ذرات.
3. چگالی انباشتگی، یعنی چگالی پوشش، به چگالی حاصل از تقسیم جرم پودر بر حجم پوشش تشکیل شده توسط پودر اشاره دارد. حجم مورد استفاده شامل منافذ خود ذرات و فضای خالی بین ذرات است.

برای همان پودر، چگالی واقعی> چگالی ذرات> چگالی بسته بندی. تخلخل پودر نسبت منافذ در پوشش ذرات پودری است، یعنی نسبت حجم فضای خالی بین ذرات پودر و منافذ ذرات به حجم کل پوشش که معمولاً بیان می شود. به عنوان درصد تخلخل پودر یک ویژگی جامع مربوط به مورفولوژی ذرات، حالت سطح، اندازه ذرات و توزیع اندازه ذرات است. تخلخل آن مستقیماً بر نفوذ الکترولیت و انتقال یون لیتیوم تأثیر می گذارد. به طور کلی، هر چه تخلخل بزرگتر باشد، نفوذ الکترولیت آسان تر و انتقال یون لیتیوم سریعتر است. بنابراین، در طراحی باتری لیتیومی، گاهی اوقات برای تعیین تخلخل، روش متداول فشار جیوه، روش جذب گاز و غیره را می توان با استفاده از محاسبه چگالی به دست آورد. تخلخل همچنین هنگام استفاده از چگالی های مختلف برای محاسبات می تواند پیامدهای متفاوتی داشته باشد. هنگامی که چگالی تخلخل ماده زنده، عامل رسانا و چسب با چگالی واقعی محاسبه می شود، تخلخل محاسبه شده شامل شکاف بین ذرات و شکاف درون ذرات می شود. هنگامی که تخلخل ماده زنده، عامل رسانا و چسب با چگالی ذرات محاسبه می شود، تخلخل محاسبه شده شامل شکاف بین ذرات است، اما شکاف درون ذرات را شامل نمی شود. بنابراین، اندازه منافذ ورق الکترود باتری لیتیومی نیز چند مقیاسی است، به طور کلی شکاف بین ذرات در مقیاس میکرون است، در حالی که شکاف درون ذرات در مقیاس نانومتر تا زیر میکرون است. در الکترودهای متخلخل، رابطه خواص انتقال مانند نفوذ موثر و رسانایی را می توان با معادله زیر بیان کرد:

در جایی که D0 نشان دهنده سرعت انتشار (رسانایی) ذاتی خود ماده است، ε کسر حجمی فاز مربوطه است، و τ انحنای مداری فاز مربوطه است. در مدل همگن ماکروسکوپی، رابطه بروژمن به طور کلی استفاده می شود و ضریب ɑ = 1.5 را برای تخمین مثبت بودن موثر الکترودهای متخلخل می گیرد.

الکترولیت در حفره‌های الکترودهای متخلخل پر می‌شود، که در آن یون‌های لیتیوم از طریق الکترولیت هدایت می‌شوند و ویژگی‌های رسانایی یون‌های لیتیوم ارتباط نزدیکی با تخلخل دارد. هرچه تخلخل بزرگتر باشد، کسر حجمی فاز الکترولیت بیشتر می شود و رسانایی موثر یون های لیتیوم بیشتر می شود. در ورق الکترود مثبت، الکترون ها از طریق فاز چسب کربن منتقل می شوند، کسر حجمی فاز چسب کربن و انحراف فاز چسب کربن به طور مستقیم هدایت موثر الکترون ها را تعیین می کند.

تخلخل و کسر حجمی فاز چسب کربن متناقض هستند و تخلخل زیاد به ناچار منجر به کسر حجمی فاز چسب کربن می شود، بنابراین، خواص هدایت موثر یون های لیتیوم و الکترون ها نیز متناقض است، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. با کاهش تخلخل، هدایت موثر یون لیتیوم کاهش می یابد در حالی که رسانایی موثر الکترون افزایش می یابد. نحوه تعادل این دو نیز در طراحی الکترود بسیار مهم است.

شکل 2 نمودار شماتیک تخلخل و رسانایی یون لیتیوم و الکترون

2. نوع و تشخیص عیوب قطب

 

در حال حاضر، در فرآیند آماده‌سازی قطب باتری، فناوری‌های تشخیص آنلاین بیشتر و بیشتری اتخاذ می‌شود تا به طور موثر عیوب تولید محصولات را شناسایی کند، محصولات معیوب را حذف کند و بازخورد به موقع به خط تولید، تنظیمات خودکار یا دستی تولید را انجام دهد. فرآیند، برای کاهش نرخ معیوب.

فن‌آوری‌های تشخیص آنلاین که معمولاً در تولید ورق قطب استفاده می‌شوند شامل تشخیص مشخصه دوغاب، تشخیص کیفیت ورق قطب، تشخیص ابعاد و غیره است، به عنوان مثال: (1) ویسکوزیته‌سنج آنلاین مستقیماً در مخزن ذخیره پوشش نصب می‌شود تا رئولوژیکی را تشخیص دهد. ویژگی های دوغاب در زمان واقعی، تست پایداری دوغاب. (2) استفاده از اشعه ایکس یا بتا در فرآیند پوشش، دقت اندازه گیری بالای آن، اما تشعشع زیاد، قیمت بالای تجهیزات و مشکل تعمیر و نگهداری. (3) فناوری اندازه‌گیری ضخامت آنلاین لیزری برای اندازه‌گیری ضخامت ورق قطب استفاده می‌شود، دقت اندازه‌گیری می‌تواند به ± 1. 0 μm برسد، همچنین می‌تواند روند تغییر ضخامت و ضخامت اندازه‌گیری شده را در زمان واقعی نمایش دهد، ردیابی داده‌ها را تسهیل می‌کند. و تحلیل؛ (4) فناوری دید CCD، یعنی آرایه خط CCD برای اسکن شی اندازه‌گیری شده، پردازش تصویر در زمان واقعی و تجزیه و تحلیل دسته‌های نقص، تشخیص آنلاین غیر مخرب نقص سطح ورق قطب استفاده می‌شود.

به عنوان ابزاری برای کنترل کیفیت، فناوری تست آنلاین نیز برای درک ارتباط بین نقص و عملکرد باتری ضروری است تا معیارهای واجد شرایط / فاقد صلاحیت برای محصولات نیمه تمام را تعیین کنیم.

در بخش آخر، روش جدید فناوری تشخیص عیب سطح باتری لیتیوم یون، فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز و رابطه بین این عیوب مختلف و عملکرد الکتروشیمیایی به اختصار معرفی شده است. Consult D. Mohanty.

(1) عیوب رایج در سطح ورق قطب

شکل 3 عیوب رایج در سطح الکترود باتری لیتیوم یون را نشان می دهد که تصویر نوری در سمت چپ و تصویر گرفته شده توسط تصویرگر حرارتی در سمت راست است.

شکل 3 عیوب رایج در سطح ورق قطب: (الف، ب) پاکت برآمدگی / سنگدانه. (ج، د) رها کردن مواد / سوراخ سوزن. (ه، و) جسم خارجی فلزی. (g, h) پوشش ناهموار

 

(الف، ب) برآمدگی / سنگدانه برجسته، اگر دوغاب به طور یکنواخت به هم زده شود یا سرعت پوشش ناپایدار باشد، چنین نقص هایی ممکن است رخ دهد. تجمع مواد رسانای چسب و کربن سیاه منجر به محتوای کم مواد فعال و وزن سبک قرص های قطبی می شود.

 

(ج، د) قطره / سوراخ سوزنی، این مناطق معیوب پوشش داده نمی شوند و معمولاً توسط حباب های موجود در دوغاب تولید می شوند. آنها مقدار ماده فعال را کاهش می دهند و کلکتور را در معرض الکترولیت قرار می دهند و در نتیجه ظرفیت الکتروشیمیایی را کاهش می دهند.

 

(E, F) اجسام خارجی فلزی، دوغاب یا اجسام خارجی فلزی وارد شده در تجهیزات و محیط، و اجسام خارجی فلزی می توانند آسیب زیادی به باتری های لیتیومی وارد کنند. ذرات بزرگ فلزی مستقیماً دیافراگم را تحت تأثیر قرار می دهند و در نتیجه یک اتصال کوتاه بین الکترودهای مثبت و منفی ایجاد می شود که یک اتصال کوتاه فیزیکی است. علاوه بر این، هنگامی که جسم خارجی فلزی در الکترود مثبت مخلوط می شود، پتانسیل مثبت پس از شارژ افزایش می یابد، فلز حل می شود، از طریق الکترولیت پخش می شود و سپس روی سطح منفی رسوب می کند و در نهایت دیافراگم را سوراخ می کند و یک اتصال کوتاه ایجاد می کند. که یک اتصال کوتاه انحلال شیمیایی است. رایج ترین اجسام خارجی فلزی در سایت کارخانه باتری عبارتند از Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS و غیره.

 

(g، h) پوشش ناهموار، مانند اختلاط دوغاب کافی نیست، ظرافت ذرات به راحتی نوارهایی ظاهر می شود که ذره بزرگ است، در نتیجه پوشش ناهمواری ایجاد می شود که بر قوام ظرفیت باتری تأثیر می گذارد و حتی به طور کامل ظاهر می شود. بدون نوار پوشش، بر ظرفیت و ایمنی تأثیر می گذارد.

(2) فناوری تشخیص نقص سطح تراشه قطبی فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز (IR) برای تشخیص عیوب جزئی در الکترودهای خشک که می تواند به عملکرد باتری های لیتیوم یون آسیب برساند، استفاده می شود. در حین تشخیص آنلاین، اگر نقص یا آلاینده الکترود تشخیص داده شد، آن را روی صفحه قطب علامت گذاری کنید، در فرآیند بعدی آن را برطرف کنید و به خط تولید بازخورد دهید و فرآیند را به موقع تنظیم کنید تا عیوب برطرف شود. اشعه مادون قرمز نوعی موج الکترومغناطیسی است که ماهیت مشابه امواج رادیویی و نور مرئی دارد. از یک دستگاه الکترونیکی ویژه برای تبدیل توزیع دمای سطح یک جسم به تصویر قابل مشاهده از چشم انسان استفاده می شود و برای نمایش توزیع دمای سطح یک جسم در رنگ های مختلف، فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز نامیده می شود. این دستگاه الکترونیکی تصویرگر حرارتی مادون قرمز نام دارد. تمام اجسام بالای صفر مطلق (273- درجه سانتیگراد) تابش مادون قرمز ساطع می کنند.
همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، تقریبگر حرارتی مادون قرمز (دوربین IR) از آشکارساز مادون قرمز و هدف تصویربرداری نوری برای پذیرش الگوی توزیع انرژی تابش مادون قرمز شی هدف اندازه گیری شده و انعکاس آن بر روی عنصر حساس به نور آشکارساز مادون قرمز استفاده می کند تا تصویر حرارتی مادون قرمز، که مربوط به میدان توزیع حرارتی در سطح جسم است. هنگامی که یک نقص در سطح یک جسم وجود دارد، دما در منطقه تغییر می کند. بنابراین، از این فناوری می توان برای تشخیص عیوب روی سطح جسم نیز استفاده کرد، به ویژه برای برخی از عیوب که با ابزارهای تشخیص نوری قابل تشخیص نیستند، مناسب است. هنگامی که الکترود خشک کردن باتری لیتیوم یونی به صورت آنلاین شناسایی می شود، الکترود الکترود ابتدا توسط فلاش تابش می شود، دمای سطح تغییر می کند و سپس دمای سطح با یک تصویرگر حرارتی تشخیص داده می شود. تصویر توزیع گرما تجسم می شود و تصویر در زمان واقعی پردازش و تجزیه و تحلیل می شود تا عیوب سطح را شناسایی کرده و به موقع آنها را علامت گذاری کند. Mohanty این مطالعه یک تصویرگر حرارتی را در خروجی کوره خشک کن روکش نصب کرد تا تصویر توزیع دما از سطح ورق الکترود را تشخیص دهد.

شکل 5 (الف) یک نقشه توزیع دما از سطح پوشش ورق قطب مثبت NMC است که توسط تصویرگر حرارتی شناسایی شده است، که حاوی یک نقص بسیار کوچک است که با چشم غیر مسلح قابل تشخیص نیست. منحنی توزیع دما مربوط به بخش مسیر در قسمت داخلی با یک نوک دما در نقطه نقص نشان داده شده است. در شکل 5 (ب)، دما به طور موضعی در جعبه مربوطه افزایش می یابد که مربوط به نقص سطح ورق قطب است. شکل. 6 نمودار توزیع دمای سطحی ورق الکترود منفی است که وجود عیوب را نشان می دهد، جایی که اوج افزایش دما مربوط به حباب یا سنگدانه است و ناحیه کاهش دما مربوط به سوراخ یا افت است.

شکل 5 توزیع دمای سطح ورق الکترود مثبت

شکل 6 توزیع دمای سطح الکترود منفی

 

مشاهده می شود که تشخیص تصویربرداری حرارتی توزیع دما وسیله خوبی برای تشخیص عیب سطح ورق قطب است که می تواند برای کنترل کیفیت تولید ورق قطب استفاده شود. تاثیر عیوب سطح ورق قطب بر عملکرد باتری

 

(1) تأثیر بر ظرفیت چند برابر کننده باتری و راندمان کولن

شکل 7 منحنی تاثیر سنگدانه و سوراخ سوزنی را بر ظرفیت چند برابر کننده باتری و بازده کولن نشان می دهد. مصالح در واقع می تواند ظرفیت باتری را بهبود بخشد، اما کارایی کولن را کاهش می دهد. سوراخ سوزنی ظرفیت باتری و کارایی Kulun را کاهش می دهد و بازده Kulun با سرعت بالا به شدت کاهش می یابد.

شکل 7 اثر سنگدانه کاتد و سوراخ سوزنی بر ظرفیت باتری و کارایی شکل 8 پوشش ناهموار است و جسم خارجی فلزی Co و Al بر ظرفیت باتری و تأثیر منحنی کارایی، پوشش ناهموار ظرفیت جرم واحد باتری را 10% کاهش می دهد - 20٪، اما کل ظرفیت باتری 60٪ کاهش یافته است، این نشان می دهد که جرم زنده در قطعه قطبی به طور قابل توجهی کاهش یافته است. جسم خارجی Metal Co ظرفیت کاهش می یابد و راندمان کولن حتی در بزرگنمایی 2C و 5C اصلاً ظرفیت ندارد که ممکن است به دلیل تشکیل فلز Co در واکنش الکتروشیمیایی لیتیوم و لیتیوم جاسازی شده باشد یا ممکن است ذرات فلز باشد. مسدود شدن منافذ دیافراگم باعث اتصال کوتاه میکرو می شود.

شکل 8 اثرات پوشش ناهموار الکترود مثبت و اجسام خارجی فلزی Co و Al بر ظرفیت چند برابر کننده باتری و راندمان کولن

خلاصه ای از عیوب ورق کاتد: مواد موجود در پوشش ورق کاتد باعث کاهش راندمان کولن باتری می شود. سوراخ سوزنی پوشش مثبت راندمان کولن را کاهش می دهد و در نتیجه عملکرد چند برابری ضعیف را به خصوص در چگالی جریان بالا انجام می دهد. پوشش ناهمگن عملکرد بزرگنمایی ضعیفی را نشان داد. آلاینده های ذرات فلزی ممکن است باعث ایجاد اتصال کوتاه ریز شوند و بنابراین ممکن است ظرفیت باتری را تا حد زیادی کاهش دهند.
شکل 9 تاثیر نوار فویل نشتی منفی را بر ظرفیت چند برابر کننده و راندمان Kulun باتری نشان می دهد. هنگامی که نشتی در الکترود منفی رخ می دهد، ظرفیت باتری به طور قابل توجهی کاهش می یابد، اما ظرفیت گرم آشکار نیست، و تاثیر بر راندمان Kulun قابل توجه نیست.

 

شکل 9 تأثیر نوار فویل نشتی الکترود منفی بر ظرفیت چند برابر کننده باتری و بازده Kulun (2) تأثیر بر عملکرد چرخه ضرب کننده باتری شکل 10 نتیجه تأثیر نقص سطح الکترود بر چرخه ضرب کننده باتری است. نتایج تأثیر به شرح زیر خلاصه می شود:
Egregation: در 2C، میزان نگهداری ظرفیت 200 سیکل 70٪ و باتری معیوب 12٪ است، در حالی که در چرخه 5C، نرخ نگهداری ظرفیت 200 چرخه 50٪ و باتری معیوب 14٪ است.
سوراخ سوزن: تضعیف ظرفیت واضح است، اما هیچ تضعیف نقص کل سریع نیست و نرخ نگهداری ظرفیت 200 چرخه 2C و 5C به ترتیب 47٪ و 40٪ است.
جسم خارجی فلزی: ظرفیت جسم خارجی Co فلزی پس از چندین چرخه تقریباً 0 است و ظرفیت چرخه 5C فویل فلزی جسم خارجی Al به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
نوار نشت: برای همان ناحیه نشتی، ظرفیت باتری چندین نوار کوچکتر سریعتر از نوار بزرگتر کاهش می یابد (47٪ برای 200 چرخه در 5 درجه سانتیگراد) (7٪ برای 200 چرخه در 5 درجه سانتیگراد). این نشان می دهد که هر چه تعداد نوارها بیشتر باشد، تأثیر بیشتری بر چرخه باتری خواهد داشت.

شکل 10 اثر عیوب سطح ورق الکترود بر چرخه سرعت سلول

 

Ref.: [1] ارزیابی غیر مخرب الکترودهای باتری ثانویه لیتیومی پوشش داده شده با شکاف با روش‌های کولیس لیزری درون خطی و ترموگرافی IR [J].ANALYTICALMETHODS.2014، 6(3): 674-683.[2]اثر. نقص‌های ساخت الکترود بر عملکرد الکتروشیمیایی باتری‌های لیتیوم یون: شناخت منابع خرابی باتری [J]. مجله منابع قدرت. 2016، 312: 70-79.