Overzicht van faalanalyse en foutmechanisme van lithium-ionbatterij

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - პორტატული ელექტროსადგურის მიმწოდებელი

De generatie en groei van de 1SEI-film vindt plaats in een commercieel lithium-ionbatterijsysteem. Het verlies aan batterijcapaciteit is het gevolg van een bijwerking tussen grafiet en organische elektrolyt. Het grafiet reageert gemakkelijk elektrochemisch met lithium-ion organische elektrolyt, met name het oplosmiddel vinylcarbonaat (EC) en dimethylcarbonaat (DMC). Wanneer de lithium-ionbatterij zich tijdens de eerste oplaadfase (fase) bevindt, vormen zich een laag vaste elektrolyt (SEI) op het grafietoppervlak, waardoor een deel van de capaciteit onomkeerbaar kan worden. De negatieve elektrolyt en de lithium-ion-elektrolyt vormen een laag vaste elektrolytinterface (SEI). De SEI-folie zorgt voor de transmissie van ionen terwijl de reactieve substantie wordt beschermd, en voorkomt de stabiliteit van de werking van het actieve materiaal van de batterij terwijl de actieve substantie wordt beschermd.

Echter, tijdens de daaropvolgende cyclus van de batterij, aangezien de constante uitzetting en krimp van het elektrodemateriaal ervoor zorgt dat een nieuwe actieve plek wordt blootgelegd, kan dit een continu verlies-/falenmechanisme veroorzaken, dat wil zeggen dat de capaciteit van de batterij voortdurend wordt verlaagd. Dit faalmechanisme kan worden toegeschreven aan het elektrochemische reductieproces van het oppervlak van de elektrode, wat tot uiting komt in de voortdurende toename van de dikte van de SEI-film. Daarom kan de studie naar de chemische componenten en morfologie van SEI-films diepgaander zijn en de oorzaak van de afname van de capaciteit en het vermogen van lithium-ionbatterijen achterhalen.

Vormingsproces van SEI-film De afgelopen jaren hebben onderzoekers geprobeerd de aard van SEI-membranen te bestuderen door middel van ontmantelingsexperimenten met kleine batterijsystemen. Het demontageproces van de batterij wordt uitgevoerd in een handschoenenkastje met aerosolisch inert gas ( <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.

Hoewel er veel testmethoden zijn gebruikt om de SEI-film te karakteriseren, wordt het werkelijke model van de SEI-film die in de batterij groeit, gebruikt om meer geavanceerde en directe manieren te karakteriseren. Het probleem is dat de SEI-folie samengesteld is uit een verscheidenheid aan stoffen, zowel organische als anorganische, en dat het ingrediënt complex is. Bovendien is het erg kwetsbaar en reageert het gemakkelijk op de omgeving. Als de informatie onjuist is, is het moeilijk om de juiste informatie uit de SEI-film te halen.

De verdikking van de SEI-film is een typische elektrochemische parasitaire nevenreactie, die nauw verband houdt met de reactiekinetiek, het stofoverdrachtsproces en de structurele geometrie van de batterij. De verandering van de SEI-film leidt echter niet direct tot een destructieve breuk. De ontbinding ervan zal alleen leiden tot een stijging van de interne temperatuur van de batterij, wat op zijn beurt kan leiden tot ontbindingsgas en extreme hitte, waardoor de thermische situatie onbeheersbaar wordt. Bij FMMEA wordt de vorming en groei van de SEI-film beschouwd als een verliesmechanisme, wat ertoe kan leiden dat de capaciteit van de batterij afneemt en de interne impedantie toeneemt.

2 Lithium-dendrieten ontstaan ​​als de batterij snel wordt opgeladen met een stroomdichtheid die hoger is dan de nominale stroomsterkte. Het negatieve oppervlak vormt dan gemakkelijk een metaallithiumdendrie. Dit dendritische kristal kan gemakkelijk het membraan doorboren, waardoor er kortsluiting in de batterij ontstaat. Deze situatie kan leiden tot een defect aan de batterij en is moeilijk te detecteren voordat er kortsluiting in de batterij ontstaat.

De afgelopen jaren hebben onderzoekers de groeisnelheid van lithiumdendrieten en de relatie tussen de groeisnelheid van lithiumdendrieten en de diffusiecapaciteit van lithium-ionen bestudeerd. Experimenten laten zien dat de groei van lithium delegra moeilijk te detecteren of waar te nemen is in een compleet batterijsysteem. Bovendien is het huidige model beperkt tot de groei van lithiumdendrieten in één enkel systeem. In het experimentele systeem kan de transparante batterij van kwartsglas het groeiproces van lithiumdendrieten ter plaatse observeren.

De Zhang Yuegono-onderzoeker van het Suzhou Nanotechnology and Nano Bionic Research Institute in mijn land heeft het vormingsproces van lithiumdendrieten (zoals te zien in de video) onthuld met behulp van de scanning elektronenmicroscoop (SEM)-technologie. In het commerciële lithium-ionbatterijsysteem is het echter lastig om de oorspronkelijke waarneming van lithiumvertakkingen te realiseren. De universele situatie is om de lithiumvertakkingskristallen te observeren door de batterij te demonteren.

Omdat de activiteit van de lithiumtak echter zeer hoog is, is het lastig om de details van de generatie te analyseren. Zier et al. Voorgesteld wordt om elektronmicrogrammen van de elektrode te tekenen door de elektrodestructuur te verven om zo de positie van de dendrieten te bepalen.

Als vóór het ontmantelen van de batterij de vorming van lithiumvertakkingskristallen een interne kortsluiting heeft veroorzaakt, kan dit deel van het dendritische kristal moeilijk te observeren zijn, omdat de enorme pulsstroom van de interne kortsluiting lithiumvertakkingskristallisatie kan veroorzaken. De lokale microporeuze afsluiting van het diafragma suggereert dat lithiumdendrieten mogelijk in een groeipositie zitten, maar deze delen kunnen gedeeltelijk oververhit raken of worden veroorzaakt door metaalverontreinigingen. Daarom is het belangrijk om faalmodellen verder te ontwikkelen om het ontstaan ​​van lithiumvertakkingen te voorspellen. Tegelijkertijd is het erg zinvol om de relatie tussen levensduur en faalgedrag onder verschillende werkomstandigheden te bestuderen.

3 De pollatie van de actieve materiaaldeeltjes is ongelijkmatig bij het afgeven van snelladende en ontladende of elektrodeactieve stoffen, het actieve materiaal is vatbaar voor poedervorming of fragmentatie. Over het algemeen geldt dat naarmate de batterij langer wordt, de microngrote deeltjes en de interne spanning van ionen kunnen worden verbroken. De eerste scheur kan met behulp van SEM op het oppervlak van de actieve materiaaldeeltjes worden waargenomen.

Door de herhaaldelijke insluiting van lithiumionen worden de scheuren steeds groter, waardoor er scheuren in de deeltjes ontstaan. De scheurdeeltjes leggen het nieuwe actieve oppervlak bloot en op het nieuwe oppervlak wordt een SEI-film gegenereerd. Door onderzoek en analyse van de inbeddingsspanning van lithiumionen kunnen we batterij-elektrodematerialen beter ontwerpen.

Christensen en Newman et al. Het eerste lithium-ion ingebedde spanningsmodel is ontwikkeld en andere onderzoekers hebben verschillende materialen en de geometrische morfologie van materialen en materialen uitgebreid. Met een ionen-ingebed stressmodel kunnen onderzoekers actievere stoffen ontwerpen.

Het verlies aan capaciteit en vermogen van actieve materiaaldeeltjes wordt echter verder onderzocht en het faalmechanisme van deeltjesfragmentatie wordt uitgebreid voorspeld om de levensduur van lithium-ionbatterijen te voorspellen. De volumeverandering van het elektrodemateriaal kan er ook toe leiden dat de werkzame stof met de stroomcollector wordt ontladen, waardoor dit deel van de werkzame stof niet beschikbaar is. Het lithiumionenproces van het actieve materiaal gaat gepaard met ionenmigratie en externe elektronenmigratie binnen de batterij.

Omdat de elektrolyt elektronisch geïsoleerd is, kunnen er alleen ionen worden toegevoerd. Het geleiden van elektronen is belangrijk voor het geleidende netwerk dat door het geleidende middel wordt gevormd op het elektrodeoppervlak. Regelmatige veranderingen in het volume van het elektrodemateriaal kunnen ertoe leiden dat gedeeltelijk actieve stoffen uit het geleidende netwerk een geïsoleerd systeem vormen, dat niet beschikbaar is.

Deze verandering in de elektrodestructuur kan worden gemeten door bijvoorbeeld de porositeit of het specifieke oppervlak te meten. Dit proces kan ook worden gefreesd door het elektrodeoppervlak te frezen met behulp van de focale ionenbundel (FIB), door SEM te gebruiken om morfologische observaties uit te voeren of door een röntgentomografietest uit te voeren met behulp van SEM. Het negatieve Si-elektrodemateriaal wordt gereinigd en losgekoppeld van het geleidende netwerk.

De positieve elektrode-actieve stof van de positieve elektrode-actieve stof is meestal overgangsmetaaloxide, zoals lithiumkobaltaat (LiMn2O4), of polyanaatlithiumzout, lithiumijzerfosfaat (LifePo4). De meeste positieve werkzame stoffen zijn ingebedde reactiemechanismen, en hun stressmechanismen en recessiemechanismen zijn grotendeels te danken aan de val van korrels en de bovenstaande beschrijving van de werkzame stoffen. De SEI-film wordt ook gegenereerd en beïnvloed door het oppervlak van de positieve elektrode, maar het oppervlak van de positieve elektrode heeft een hoog potentieel en de SEI-film is erg dun en stabiel.

Bovendien is het positieve elektrodemateriaal ook gevoelig voor de invloed van interne warmteontwikkeling, vooral wanneer de batterij te hoog geplaatst is. Tijdens het opladen wordt de elektrolyt onstabiel onder hoge druk, waardoor er een elektrolyt en de positieve elektrode-actieve substantie ontstaat, waardoor de interne temperatuur van de batterij blijft stijgen en het positieve elektrodemateriaal zuurstof afgeeft. Verdere upgrades zullen resulteren in thermische oncontroleerbare schade, wat zal leiden tot vernietiging en falen van de batterij.

Het positieve elektrodemateriaal dat ontstaat tijdens de voorlading kan worden geanalyseerd door middel van gaschromatografie om de elektrodemateriaalstructuur te analyseren of te detecteren door middel van röntgenspectrumdetectie van de elektrodemateriaalstructuur. Er is echter nog geen model beschikbaar dat kan voorspellen hoe het binnenste van de batterij zal vergaan als er te veel gas overstroomt. Samenvatting: De faalmechanismemodus van het positieve en negatieve elektrodemateriaal van de lithium-ionbatterij is belangrijk voor de ontleding van het SEI-membraan, de productie van lithium-gedelegeerde kristallen of koperkristallen, het poeder van de actieve materiaaldeeltjes en het warmteontledingsgas, enz.

Onder hen de generatie van lithiumderivaten of koperdelegaten, waarbij het materiaal gemakkelijk kan ontbinden door thermische onbeheersbaarheid van de cel, waardoor de batterij ontbrandt en zelfs explodeert. Het falen van lithium-ionbatterijen wordt geanalyseerd door de faded mode en het mechanisme wordt geoptimaliseerd door het materiaal en de structuur van de batterij te optimaliseren en de milieuvriendelijkheid, betrouwbaarheid en veiligheid van de batterij te verbeteren. Daarom is er een zeer belangrijke sturende betekenis voor de productie en de praktische toepassing van de batterij.