Yleiskatsaus litiumioniakun vikaanalyysiin ja vikamekanismiin

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Soláthraí Stáisiún Cumhachta Inaistrithe

1SEI-kalvon syntyminen ja kasvu tapahtuu kaupallisessa litiumioniakkujärjestelmässä, ja akun kapasiteetin menetys johtuu grafiitin ja orgaanisen elektrolyytin välisestä sivuvaikutuksesta, ja grafiitti saatetaan helposti sähkökemiallisesti reagoimaan litiumioni-orgaanisen elektrolyytin kanssa, erityisesti liuotin on vinyylikarbonaatti (EC) ja dimetyylikarbonaatti (DMC). Kun litiumioniakku on ensimmäisen latauksen (vaiheen) aikana, negatiivinen elektrolyytti ja litiumionielektrolyytti tapahtuivat ja litiumionielektrolyytti tapahtui ja grafiitin pintaan muodostuu SEI-kalvokerros, joka voi aiheuttaa osan palautumattomasta kapasiteetista. SEI-kalvo varmistaa ionien läpäisyn samalla kun se suojaa reaktiivista ainetta, ja estää akkuaktiivisen materiaalin aktiivisen aineen toiminnan stabiiliuden samalla kun estetään vaikuttavaa ainetta.

Kuitenkin akun seuraavan jakson aikana, koska elektrodimateriaalin jatkuva laajeneminen ja supistuminen aiheuttavat uuden aktiivisen kohdan paljastumisen, tämä voi aiheuttaa jatkuvan häviön vikamekanismin, toisin sanoen akun kapasiteettia laskee jatkuvasti. Tämän vikamekanismin voidaan katsoa johtuvan elektrodin pinnan sähkökemiallisesta pelkistysprosessista, joka ilmaistaan ​​SEI-kalvon paksuuden jatkuvana kasvuna. Siksi SEI-kalvon kemiallisten komponenttien ja morfologian tutkimus voi olla syvällisempää, mikä aiheuttaa litiumioniakun kapasiteetin ja tehon vähenemisen.

SEI-kalvonmuodostusprosessi Viime vuosina tutkijat ovat yrittäneet tutkia SEI-kalvojen luonnetta purkamalla pieniä akkujärjestelmiä. Akun purkaminen suoritetaan aerosolisessa inerttikaasussa olevassa hansikaslokerossa ( <5 ppm). After the battery is disassembled, it can pass a nuclear magnetic resonance technology (NMR), a flight time secondary ion mass spectrometry (TEMS), a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), an atomic force microscope (AFM), X-ray absorption spectrum (XAF), and Infrared (FTIR) and Raman Spectroscopy and other test methods study the thickness, morphology, composition, growth process and mechanism of SEI membranes.

Vaikka SEI-kalvon karakterisointiin on käytetty monia testimenetelmiä, SEI-kalvon varsinaista mallia, joka kasvaa akussa, käytetään luonnehtimaan edistyneempiä ja suorimpia tapoja. Vaikeus on, että SEI-kalvo on monimutkainen monien eri aineiden, kuten orgaanisten ja epäorgaanisten, kanssa, ja ainesosa on monimutkainen, ja se on erittäin hauras ja helposti reagoiva ympäristöön. Jos se on väärä, SEI-elokuvan todellista tietoa on vaikea saada.

SEI-kalvon paksuuntuminen on tyypillinen sähkökemiallinen loissivureaktio, jolla on läheinen yhteys reaktiokinetiikkaan, massansiirtoprosessiin ja akun rakennegeometriaan. SEI-kalvon vaihto ei kuitenkaan suoraan johda tuhoavan vian epäonnistumiseen, ja sen hajoaminen aiheuttaa vain akun sisäisen lämpötilan nousun, mikä puolestaan ​​​​voi aiheuttaa hajoamiskaasua, ja voimakas kuumuus aiheuttaa lämmön hallitsemattomuuden. FMMEA:ssa SEI-kalvon muodostumista ja kasvua pidetään häviömekanismina, joka voi saada akun pienentämään kapasiteettia ja lisäämään sisäistä impedanssia.

2 litiumdendriittiä syntyy, jos akku ladataan nopeasti nimellisvirtaa suuremmalla virrantiheydellä ja negatiivinen pinta muodostuu helposti metallin litiumdendridin muodostamiseksi. Tämä dendriittikide on helppo lävistää kalvon, mikä aiheuttaa oikosulun akun sisällä. Tämä tilanne voi johtaa akun tuhoutumiseen epäonnistumiseen, ja sitä on vaikea havaita ennen akun oikosulkua.

Viime vuosina tutkijat ovat tutkineet litiumdendridin kasvunopeutta sekä litiumdendriitin kasvunopeuden ja litiumdendriittien litiumionidiffuusiokapasiteetin välistä suhdetta. Kokeet osoittavat, että litiumdelegran kasvua on vaikea havaita tai havaita täydellisessä akkujärjestelmässä, ja nykyinen malli rajoittuu litiumdendriittien kasvuun yhden järjestelmän alla. Kokeellisessa järjestelmässä kvartsilasista valmistettu läpinäkyvä akku voi tarkkailla litiumdendriittien kasvuprosessia in situ.

Zhang Yuegonon tutkija Suzhoun nanoteknologian ja Nano Bionic Research Institutessa kotimaassani on paljastanut litiumdendriittien muodostumisprosessin (kuten videolla näkyy) pyyhkäisyelektronimikroskooppitekniikassa (SEM). Kaupallisessa litiumioniakkujärjestelmässä on kuitenkin vaikea saavuttaa alkuperäistä litiumhaarojen havaintoa. Universaali tilanne on tarkkailla sen litiumhaarakiteitä purkamalla akku.

Koska litiumhaaran aktiivisuus on kuitenkin erittäin korkea, on vaikea analysoida sukupolven yksityiskohtia. Zier et ai. Ehdotettiin vetää elektrodielektronimikrogrammaa värjäämällä elektrodin rakenne dendriittien sijainnin määrittämiseksi.

Jos ennen akun purkamista litiumhaarakiteen syntyminen on aiheuttanut sisällä olevan oikosulun, niin tätä dendriittikiteen osaa voi olla vaikea havaita, koska sisäisen oikosulun valtava pulssivirta voi aiheuttaa litiumhaaran kiteytymistä. Kalvon paikallinen mikrohuokoinen sulkeutuminen viittaa siihen, että litiumdendriittien mahdollinen kasvupaikka, mutta nämä osat voivat olla osittain ylikuumenevia tai metallien epäpuhtauksien aiheuttamia. Siksi vikamallien kehittäminen edelleen litiumhaarojen syntymisen ennustamiseksi, ja samalla on erittäin mielekästä tutkia elämän ja epäonnistumisen suhdetta erilaisissa työoloissa.

3 Aktiiviaineen hiukkasten pölyytyminen on epätasaista nopean varauksen ja purkauksen tai elektrodiaktiivisen aineen annostelussa, aktiivinen aine on altis jauheeksi tai pirstoutumaan. Yleensä, kun akku on pidennetty, mikronin kokoiset hiukkaset, ionin sisäinen jännitys voi katketa. Alkuhalkeama voidaan havaita SEM:llä aktiivisen materiaalin hiukkasten pinnalla.

Litiumionien toistuvan uppoamisen seurauksena halkeamat laajenevat jatkuvasti, mikä johtaa hiukkasten halkeilemiseen. Halkeilevat hiukkaset paljastavat uuden aktiivisen pinnan, ja SEI-kalvo syntyy uudelle pinnalle. Tutkimalla ja analysoimalla litiumionien upotusjännitystä voit suunnitella akkuelektrodimateriaalit paremmin.

Christensen ja Newman et ai. Kehitetty alkuperäinen litiumionisulautettu jännitysmalli, ja muut tutkijat ovat laajentaneet erilaisia ​​materiaaleja sekä materiaalien ja materiaalien geometrista morfologiaa. Ionisulautettu stressimalli auttaa tutkijoita suunnittelemaan lisää vaikuttavia aineita.

Kuitenkin aktiivisen materiaalin hiukkasten kapasiteetin ja tehon menetystä tutkitaan edelleen, ja hiukkasten fragmentoitumisen vikamekanismin ennustetaan kattavasti ennustavan litiumioniakkujen käyttöikää. Elektrodimateriaalin tilavuuden muutos voi myös aiheuttaa aktiivisen aineen purkamisen virrankerääjän mukana, jolloin tämä osa vaikuttavasta aineesta ei ole käytettävissä. Aktiivisen materiaalin inconed litiumprosessiin liittyy ionien kulkeutuminen ja ulkoinen elektronien kulkeutuminen akun sisällä.

Koska elektrolyytti on elektronisesti eristetty, vain ioneja voidaan syöttää. Elektronien johtaminen on tärkeää johtavalle verkostolle, jonka elektrodin pinta muodostaa johtavan aineen. Toistuvat muutokset elektrodimateriaalin tilavuudessa voivat johtaa siihen, että osittaisia ​​aktiivisia aineita johtavasta verkosta muodostuu eristetty järjestelmä, jota ei ole saatavilla.

Tämä muutos elektrodirakenteessa voidaan mitata mittaamalla menetelmää, kuten huokoisuutta tai ominaispinta-alaa. Tätä prosessia voidaan myös jauhaa jyrsimällä elektrodin pinta käyttämällä fokaalista ionisädettä (FIB), käyttämällä SEM:ää morfologisen havainnoinnin suorittamiseen tai röntgentomografiatestiä SEM:llä. Si-negatiivinen elektrodimateriaali puhdistetaan ja irrotetaan johtavasta verkosta.

Positiivisen elektrodin vaikuttavan aineen positiivisen elektrodin aktiivinen aine on enimmäkseen siirtymämetallioksidia, kuten litiumkobaltaattia (LiMn2O4), tai polyanaattia Litiumsuola, litiumrautafosfaatti (LifePo4). Suurin osa positiivisista vaikuttavista aineista on sulautettuja reaktiomekanismeja ja niiden stressimekanismit ja lamamekanismit johtuvat pääosin rakeiden putoamisesta ja yllä olevasta vaikuttavien aineiden kuvauksesta. Positiivisen elektrodin pinta muodostaa myös SEI-kalvon ja vaikuttaa siihen, mutta positiivisen elektrodin pinnalla on korkea potentiaali ja sen SEI-kalvo on erittäin ohut ja vakaa.

Lisäksi positiivinen elektrodimateriaali on myös herkkä sisäisen lämmöntuotannon vaikutuksille, erityisesti kun akku on ylituolissa. Lataushetkellä elektrolyytti muuttuu epävakaaksi korkeassa paineessa, jolloin syntyy elektrolyyttiä ja positiivisen elektrodin aktiivista ainetta, mikä saa akun sisäisen lämpötilan nousemaan edelleen ja positiivisen elektrodin materiaali vapauttaa happea. Lisäpäivitys, joka johtaa lämmön hallinnan menetykseen, aiheuttaa akun tuhoutumisvian.

Esilatauksen aikana esiintyvä positiivinen elektrodimateriaali voidaan analysoida kaasukromatografialla elektrodimateriaalin rakenteen analysoimiseksi tai havaitsemiseksi röntgenspektrin havainnointielektrodin materiaalirakenteen avulla. Tällä hetkellä ei kuitenkaan ole olemassa vikamallia, joka voisi ennustaa akun sisäpuolen yliladatun kaasun ylivuodon perusteella. Yhteenveto: Litiumioniakun positiivisen ja negatiivisen elektrodimateriaalin vikamekanismitila on tärkeä SEI-kalvon hajoamisessa, litiumin delegoitujen kiteiden tai kuparikiteiden, aktiivisen materiaalin hiukkasten jauheen ja lämmönhajoamiskaasun tuotannossa jne.

Niistä litiumjohdannaisten tai kuparin delegaattien syntyminen, materiaalin hajoamiskaasu johtuu helposti kennon hallitsemattomasta lämmön vaikutuksesta, mikä aiheuttaa akun palamisen ja jopa räjähdyksen. Litiumioniakkujen vikaantuminen analysoidaan häipymistilassa ja mekanismi optimoidaan optimoimalla akun materiaalia, rakennetta ja parantamalla akun ympäristösopeutuvuutta, luotettavuutta ja turvallisuutta. Siksi akun tuotannossa ja käytännön soveltamisessa on erittäin tärkeä ohjaava merkitys.