Odhalení tajemství: Super teoretická kapacita lithium-iontových baterií

Proč existuje lithiová baterie fenomén super teoretické kapacity

V lithium-iontových bateriích (LIB) mnoho elektrod na bázi oxidů přechodných kovů vykazuje neobvykle vysokou akumulační kapacitu přesahující jejich teoretickou hodnotu. Ačkoli byl tento jev široce popsán, základní fyzikálně-chemické mechanismy v těchto materiálech zůstávají nepolapitelné a zůstávají předmětem diskuse.

Profil výsledků

Nedávno profesor Miao Guoxing z University of Waterloo v Kanadě, profesor Yu Guihua z University of Texas v Austinu a Li Hongsen a Li Qiang z univerzity Qingdao společně publikovali výzkumnou práci o přírodních materiálech pod názvem „Extra storage capacity in lithium-iontové baterie z oxidu přechodného kovu odhalené in situ magnetometrií“. V této práci autoři použili in situ magnetické monitorování k prokázání přítomnosti silné povrchové kapacity na kovových nanočásticích a toho, že velké množství spinově polarizovaných elektronů může být uloženo v již redukovaných kovových nanočásticích, což je v souladu s mechanismem prostorového náboje. Kromě toho může být odhalený mechanismus prostorového náboje rozšířen na další sloučeniny přechodných kovů, což poskytuje klíčové vodítko pro vytvoření pokročilých systémů skladování energie.

Zdůrazňuje výzkum

(1) Typické Fe bylo studováno pomocí in-situ magnetické monitorovací techniky3O4/ Vývoj elektronické struktury uvnitř Li baterie;

(2) ukazuje, že Fe3O4 V systému / Li je kapacita povrchového náboje hlavním zdrojem dodatečné kapacity;

(3) Mechanismus povrchové kapacity kovových nanočástic lze rozšířit na širokou škálu sloučenin přechodných kovů.

Text a textový průvodce

1. Strukturní charakterizace a elektrochemické vlastnosti

Monodisperzní duté Fe bylo syntetizováno konvenčními hydrotermálními metodami3O4Nanospheres a poté provedeno při 100 mAg-1 nabíjení a vybíjení při proudové hustotě (obrázek 1a), kapacita prvního výboje je 1718 mAh g-1, podruhé 1370 mAhg, resp. 1A 1,364 mAhg−1, Daleko přes 926 mAhg−1Teorie očekávání. Snímky BF-STEM zcela vybitého produktu (obrázek 1b-c) ukazují, že po redukci lithia byly nanosféry Fe3O4The přeměněny na menší nanočástice Fe o rozměrech asi 1 – 3 nm, rozptýlené v centru Li2O.

Pro demonstraci změny magnetismu během elektrochemického cyklu byla získána magnetizační křivka po úplném vybití na 0.01 V (obrázek 1d), ukazující superparamagnetické chování v důsledku tvorby nanočástic.

Obrázek 1 (a) při 100 mAg-1Fe cyklování při proudové hustotě3O4/ Konstantní proudová křivka nabíjení a vybíjení Li baterie; (b) plně lithium Fe3O4 Obraz elektrody BF-STEM; (c) přítomnost Li v agregovaných 2 BF-STEM obrazech s vysokým rozlišením jak O, tak Fe; (d) Fe3O4 Hysterezní křivky elektrody před (černá) a za (modrá) a Langevinova proložená křivka elektrody (fialová).

2. Detekce strukturální a magnetické evoluce v reálném čase

Za účelem spojení elektrochemie s Fe3O4Of strukturními a magnetickými změnami spojenými s Fe3O4 byly elektrody podrobeny in situ rentgenové difrakci (XRD) a in situ magnetickému monitorování. Fe v sérii XRD difrakčních obrazců během počátečního výboje z napětí naprázdno (OCV) na 1.2 V3O4 Difrakční píky se významně nezměnily ani v intenzitě, ani v poloze (obrázek 2a), což naznačuje, že pouze Fe3O4 zaznamenal proces interkalace Li. Po nabití na 3V zůstává antispinelová struktura Fe3O4 neporušená, což naznačuje, že proces v tomto napěťovém okně je vysoce reverzibilní. Bylo provedeno další magnetické monitorování in-situ kombinované s testy nabíjení a vybíjení konstantním proudem, aby se zjistilo, jak se magnetizace vyvíjí v reálném čase (obrázek 2b).

Obrázek 2 Charakterizace in-situ XRD a magnetického monitorování. (A) in situ XRD; (b) Elektrochemická křivka náboj-vybíjení Fe3O4 pod 3 T aplikovaným magnetickým polem a odpovídající reverzibilní in situ magnetická odezva.

Aby bylo možné lépe porozumět tomuto procesu přeměny z hlediska změn magnetizace, je magnetická odezva shromažďována v reálném čase a odpovídající fázový přechod doprovázející elektrochemicky řízené reakce (obrázek 3). Je zcela zřejmé, že při prvním výboji Fe3O4. Magnetizační odezva elektrod se liší od ostatních cyklů vlivem Fe při první litalizaci3O4V důsledku nevratného fázového přechodu. Když potenciál klesl na 0.78 V, byla antispinelová fáze Fe3O4 přeměněna tak, aby obsahovala Li2 Halitová struktura třídy FeO O, Fe3O4 Fáze nelze po nabití obnovit. V souladu s tím magnetizace rychle klesá na 0.482 μb Fe−1. Jak lithializace postupuje, nevytváří se žádná nová fáze a intenzita difrakčních píků FeO třídy (200) a (220) začala slábnout. rovná se Fe3O4 Není zachován žádný významný pík XRD, když je elektroda zcela liializována (obrázek 3a). Všimněte si, že když se elektroda Fe3O4 vybíjí z 0.78 V na 0.45 V, magnetizace (z 0.482 μ b Fe−1 Zvýšena na 1.266 μ bFe−1), To bylo připsáno konverzní reakci z FeO na Fe. Poté se na konci výboje magnetizace pomalu snižovala na 1.132 μ B Fe−1. Toto zjištění naznačuje, že plně redukované kovové nanočástice FeO se mohou stále účastnit reakce skladování lithia, čímž se snižuje magnetizace elektrod.

Obrázek 3 In situ pozorování fázového přechodu a magnetické odezvy.（a）Fe3O4In situ XRD mapa shromážděná během prvního výboje elektrody; (b) Měření magnetické síly Fe3O4 In situ elektrochemických cyklů / Li článků při aplikovaném magnetickém poli 3 T.

3. Fe0/Li2Povrchová kapacita O systému

Fe3O4 K magnetickým změnám elektrod dochází při nízkém napětí, při kterém se s největší pravděpodobností generuje dodatečná elektrochemická kapacita, což naznačuje přítomnost neobjevených nosičů náboje v článku. Pro prozkoumání potenciálního mechanismu ukládání lithia bylo Fe studováno pomocí XPS, STEM a magnetického výkonnostního spektra3O4Elektrody magnetizačních špiček při 0.01V, 0.45V a 1.4V, aby se určil zdroj magnetické změny. Výsledky ukazují, že magnetický moment je klíčovým faktorem ovlivňujícím magnetickou změnu, protože naměřené Fe0/Li2The Ms systému O nejsou ovlivněny magnetickou anizotropií a mezičásticovou vazbou.

Pro další pochopení Fe3O4 Kinetické vlastnosti elektrod při nízkém napětí, cyklická voltametrie při různých rychlostech skenování. Jak je znázorněno na obrázku 4a, křivka obdélníkového cyklického voltamogramu se objevuje v rozsahu napětí mezi 0.01 V a 1 V (obrázek 4a). Obrázek 4b ukazuje, že na elektrodě došlo ke kapacitní odezvě Fe3O4A. S vysoce reverzibilní magnetickou odezvou procesu nabíjení a vybíjení konstantním proudem (obrázek 4c) se magnetizace elektrody během procesu vybíjení snížila z 1 V na 0.01 V a znovu se zvýšila během procesu nabíjení, což naznačuje, že Fe0O z kondenzátoru povrchová reakce je vysoce reverzibilní.

Obrázek 4 elektrochemické vlastnosti a magnetická charakterizace in situ při 0.011 V. (A) Cyklická voltametrická křivka. (B) hodnota b je určena pomocí korelace mezi špičkovým proudem a rychlostí skenování; (c) vratná změna magnetizace vzhledem ke křivce náboj-vybití pod magnetickým polem 5 T.

výše zmíněný Fe3O4 Elektrochemické, strukturní a magnetické vlastnosti elektrod naznačují, že přídavná kapacita baterie je určena Fe0. Spinově polarizovaná povrchová kapacita nanočástic je způsobena doprovodnými magnetickými změnami. Spinově polarizovaná kapacita je výsledkem spinově polarizované akumulace náboje na rozhraní a může vykazovat magnetickou odezvu během nabíjení a vybíjení. na Fe3O4Základní elektroda byla během prvního procesu vybíjení rozptýlena v nanočásticích Li2Fine Fe v O substrátu. velké poměry povrchu k objemu a realizují vysokou hustotu stavů na Fermiho úrovni díky vysoce lokalizovaným d orbitalům. Podle Maierova teoretického modelu prostorového ukládání náboje autoři navrhují, že velká množství elektronů mohou být uložena v spin-splitting pásmech kovových nanočástic Fe, které lze nalézt v Fe/Li2Creating spinově polarizovaných povrchových kondenzátorech v O nanokompozitech ( Obrázek 5).

graf 5Fe/Li2A Schematické znázornění povrchové kapacity spinově polarizovaných elektronů na O-rozhraní.(A) schematický diagram hustoty stavu spinové polarizace povrchu feromagnetických kovových částic (před a po výboji), na rozdíl od hromadná spinová polarizace železa; (b) vytvoření oblasti prostorového náboje v modelu povrchového kondenzátoru přetíženého lithia.

Shrnutí a Outlook

TM / Li byla zkoumána pomocí pokročilého magnetického monitorování in-situ2 Vývoj vnitřní elektronické struktury O nanokompozitu s cílem odhalit zdroj dodatečné úložné kapacity pro tuto lithium-iontovou baterii. Výsledky ukazují, že jak v modelovém buněčném systému Fe3O4/Li mohou elektrochemicky redukované nanočástice Fe uchovávat velké množství spinově polarizovaných elektronů, což je důsledkem nadměrné kapacity buňky a výrazně změněného mezifázového magnetismu. Experimenty dále potvrdily CoO, NiO a FeF2And Fe2Přítomnost takové kapacity v materiálu elektrody N naznačuje existenci spinově polarizované povrchové kapacity kovových nanočástic v lithium-iontových bateriích a pokládá základ pro aplikaci tohoto mechanismu prostorového ukládání náboje v jiném přechodu elektrodové materiály na bázi kovových sloučenin.

Odkaz na literaturu

Extra úložná kapacita v lithium-iontových bateriích s oxidem přechodného kovu odhalená in situ magnetometrií (Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

Vliv konstrukčního vzorce lithiové elektrodové destičky a defektů elektrodové destičky na výkon

1. Základní článek o designu tyčového filmu

Elektroda lithiové baterie je povlak složený z částic, rovnoměrně nanesených na kovovou tekutinu. Povlak elektrod lithiové iontové baterie lze považovat za kompozitní materiál, který se skládá hlavně ze tří částí:

(1) Částice účinné látky;

(2) základní fáze vodivého činidla a činidla (uhlíková adhezivní fáze);

(3) Pór, naplňte elektrolytem.

Objemový vztah každé fáze je vyjádřen jako:

Pórovitost + objemový podíl živé hmoty + objemový podíl uhlíkové adhezivní fáze =1

Konstrukce elektrody lithiové baterie je velmi důležitá a nyní jsou stručně představeny základní znalosti konstrukce elektrod lithiové baterie.

(1) Teoretická kapacita materiálu elektrody Teoretická kapacita materiálu elektrody, tj. kapacita poskytovaná všemi ionty lithia v materiálu účastnícím se elektrochemické reakce, její hodnota se vypočítá podle následující rovnice:

Například LiFePO4 Molární hmotnost je 157.756 g/mol a jeho teoretická kapacita je:

Tato vypočtená hodnota je pouze teoretická gramová kapacita. Aby byla zajištěna reverzibilní struktura materiálu, je skutečný koeficient odstranění iontů lithia menší než 1 a skutečná gramová kapacita materiálu je:

Skutečná gramová kapacita materiálu = teoretická kapacita lithiového iontového odpojovacího koeficientu

(2) Konstrukční kapacita baterie a extrémně jednostranná hustota Konstrukční kapacitu baterie lze vypočítat podle následujícího vzorce: Konstrukční kapacita baterie = povrchová hustota povlaku Poměr aktivního materiálu Gramová kapacita aktivního materiálu Oblast povlaku pólu

Mezi nimi je povrchová hustota povlaku klíčovým konstrukčním parametrem. Když se hustota zhutnění nezmění, zvýšení hustoty povrchu povlaku znamená, že se zvětší tloušťka pólového plechu, zvětší se vzdálenost přenosu elektronů a zvýší se elektronový odpor, ale stupeň zvýšení je omezený. V tlustém elektrodovém plechu je hlavním důvodem ovlivňujícím poměrové charakteristiky zvýšení migrační impedance lithných iontů v elektrolytu. S ohledem na poréznost a zákruty pórů je migrační vzdálenost iontů v póru mnohonásobně větší než tloušťka pólového listu.

(3) Poměr záporně kladné kapacity N/P záporné kapacity k kladné kapacitě je definován jako:

N / P by měla být větší než 1.0, obecně 1.04 ~ 1.20, což je hlavně v bezpečnostním designu, aby se zabránilo srážení záporných lithných iontů bez zdroje přijetí, navrhněte, aby se zvážila kapacita procesu, jako je odchylka povlaku. Pokud je však N / P příliš velký, baterie ztratí nevratnou kapacitu, což má za následek nízkou kapacitu baterie a nižší hustotu energie baterie.

Pro anodu s titaničitanem lithným se používá konstrukce přebytku kladné elektrody a kapacita baterie je určena kapacitou anody s titaničitanem lithným. Konstrukce kladného přebytku přispívá ke zlepšení vysokoteplotního výkonu baterie: vysokoteplotní plyn pochází hlavně ze záporné elektrody. V provedení s pozitivním přebytkem je negativní potenciál nízký a je snazší vytvořit film SEI na povrchu titaničitanu lithného.

(4) Hustota zhutnění a pórovitost povlaku Ve výrobním procesu se hustota zhutnění povlaku elektrody baterie vypočítá podle následujícího vzorce. Vzhledem k tomu, že při válcování pólového plechu se kovová fólie prodlužuje, je povrchová hustota povlaku za válcem vypočítána podle následujícího vzorce.

Jak již bylo zmíněno dříve, povlak se skládá z fáze živého materiálu, uhlíkové adhezivní fáze a pórů a pórovitost lze vypočítat podle následující rovnice.

Mezi nimi je průměrná hustota povlaku: elektroda lithiové baterie je druh práškových částic povlaku, protože povrch práškových částic je hrubý, nepravidelný tvar, když se hromadí, částice mezi částicemi a částicemi a některé částice samotné mají praskliny a póry, takže objem prášku včetně objemu prášku, póry mezi částicemi prášku a částicemi, tedy odpovídající rozmanitost hustoty povlaku elektrody a zastoupení poréznosti. Hustota částic prášku se vztahuje k hmotnosti prášku na jednotku objemu. Podle objemu prášku se dělí na tři druhy: skutečnou hustotu, hustotu částic a hustotu akumulace. Různé hustoty jsou definovány takto:

1. Skutečná hustota se týká hustoty získané vydělením hmotnosti prášku objemem (skutečný objem) s vyloučením vnitřních a vnějších mezer částic. Tedy hustota samotné hmoty získaná po vyloučení objemu všech dutin.
2. Hustota částic označuje hustotu částic získanou vydělením hmotnosti prášku dělenou objemem částic včetně otevřeného otvoru a uzavřeného otvoru. Tedy mezera mezi částicemi, ale ne jemné póry uvnitř částic, hustota samotných částic.
3. Akumulační hustota, tj. hustota povlaku, se týká hustoty získané hmotností prášku dělené objemem povlaku vytvořeného práškem. Použitý objem zahrnuje póry samotných částic a dutiny mezi částicemi.

Pro stejný prášek skutečná hustota> hustota částic> hustota balení. Pórovitost prášku je poměr pórů v povlaku práškových částic, to znamená poměr objemu dutiny mezi částicemi prášku a póry částic k celkovému objemu povlaku, který se běžně vyjadřuje. v procentech. Pórovitost prášku je komplexní vlastností související s morfologií částic, stavem povrchu, velikostí částic a distribucí velikosti částic. Jeho pórovitost přímo ovlivňuje infiltraci elektrolytu a přenos iontů lithia. Obecně platí, že čím větší je pórovitost, tím snazší je infiltrace elektrolytu a rychlejší přenos lithium-iontů. Proto při návrhu lithiové baterie, někdy k určení pórovitosti, běžně používaná metoda tlaku rtuti, metoda adsorpce plynu atd. Lze také získat pomocí výpočtu hustoty. Pórovitost může mít také různé důsledky při použití různých hustot pro výpočty. Když je hustota poréznosti živé látky, vodivého činidla a pojiva vypočtena skutečnou hustotou, vypočtená poréznost zahrnuje mezeru mezi částicemi a mezeru uvnitř částic. Když se poréznost živé látky, vodivého činidla a pojiva vypočítá podle hustoty částic, vypočítaná poréznost zahrnuje mezeru mezi částicemi, ale ne mezeru uvnitř částic. Proto je velikost pórů elektrodového listu lithiové baterie také v několika měřítcích, obecně je mezera mezi částicemi v mikrometrové velikosti, zatímco mezera uvnitř částic je v měřítku nanometrů až submikronů. U porézních elektrod lze vztah transportních vlastností, jako je efektivní difuzivita a vodivost, vyjádřit následující rovnicí:

Kde D0 představuje vlastní rychlost difúze (vodivosti) samotného materiálu, ε je objemový zlomek odpovídající fáze a τ je obvodové zakřivení odpovídající fáze. V makroskopickém homogenním modelu se obecně používá Bruggemanův vztah, který bere koeficient ɑ = 1.5 k odhadu efektivní pozitivity porézních elektrod.

Elektrolyt je vyplněn v pórech porézních elektrod, ve kterých jsou ionty lithia vedeny elektrolytem, ​​a vodivostní charakteristiky iontů lithia úzce souvisí s porézností. Čím větší je pórovitost, tím vyšší je objemový podíl elektrolytové fáze a tím větší je účinná vodivost lithných iontů. V kladné elektrodové desce jsou elektrony přenášeny uhlíkovou adhezivní fází, objemový podíl uhlíkové adhezivní fáze a odbočka uhlíkové adhezivní fáze přímo určují efektivní vodivost elektronů.

Pórovitost a objemový podíl uhlíkové adhezní fáze jsou protichůdné a velká pórovitost nevyhnutelně vede k objemovému podílu uhlíkové adhezivní fáze, proto jsou účinné vodivé vlastnosti lithných iontů a elektronů také protichůdné, jak je znázorněno na obrázku 2. Když se pórovitost snižuje, účinná vodivost lithných iontů se snižuje, zatímco účinná vodivost elektronů se zvyšuje. Při návrhu elektrody je také rozhodující, jak je vyvážit.

Obrázek 2 Schematický diagram poréznosti a lithiové ionty a elektronové vodivosti

2. Typ a detekce pólových vad

 

V současné době se v procesu přípravy bateriových pólů přijímá stále více online detekčních technologií, aby bylo možné efektivně identifikovat výrobní vady výrobků, eliminovat vadné výrobky a včasnou zpětnou vazbu na výrobní linku, automatické nebo ruční úpravy výroby. procesu, aby se snížila míra defektů.

Mezi technologie on-line detekce běžně používané při výrobě pólových plechů patří detekce vlastností kalu, detekce kvality pólového plechu, detekce rozměrů atd. Například: (1) online měřič viskozity je přímo instalován ve skladovací nádrži povlaku k detekci reologických vlastností. charakteristiky kejdy v reálném čase, Test stability kejdy; (2) Použití rentgenového nebo β-paprsku v procesu potahování, jeho vysoká přesnost měření, ale velké záření, vysoká cena zařízení a problémy s údržbou; (3) Technologie laserového online měření tloušťky se používá k měření tloušťky pólového listu, přesnost měření může dosáhnout ± 1, 0 μ m, může také zobrazit trend změny měřené tloušťky a tloušťky v reálném čase, usnadnit sledovatelnost dat a analýzy; (4) Technologie CCD vidění, To znamená, že řádkové pole CCD se používá ke skenování měřeného objektu, Zpracování obrazu v reálném čase a analýza kategorií defektů, Realizujte nedestruktivní online detekci defektů povrchu pólového listu.

Jako nástroj pro kontrolu kvality je technologie online testování také nezbytná pro pochopení vztahu mezi vadami a výkonem baterie, aby bylo možné určit kvalifikovaná / nekvalifikovaná kritéria pro polotovary.

V druhé části je stručně představena nová metoda technologie detekce povrchových defektů lithium-iontových baterií, technologie infračerveného termálního zobrazování a vztah mezi těmito různými defekty a elektrochemickým výkonem. konzultovat D. Mohanty Důkladná studie Mohantyho et al.

(1) Běžné vady na povrchu pólového plechu

Obrázek 3 ukazuje běžné defekty na povrchu elektrody lithium-iontové baterie, přičemž optický obraz je vlevo a obraz zachycený termokamerou vpravo.

Obrázek 3 Běžné vady na povrchu pólového plechu: (a, b) obálka vyboulení / agregát; (c, d) kapkový materiál / dírka; (e, f) kovové cizí těleso; (g, h) nerovnoměrný povlak

 

(A, b) zvýšené vyboulení / agregáty, k takovým defektům může dojít, pokud je kaše rovnoměrně promíchávána nebo je rychlost nanášení nestabilní. Shlukování adhezivních a sazí vodivých činidel vede k nízkému obsahu účinných látek a nízké hmotnosti polárních tablet.

 

(c, d) kapka / dírka, tyto defektní oblasti nejsou pokryty a jsou obvykle vytvářeny bublinami v kaši. Snižují množství aktivního materiálu a vystavují kolektor působení elektrolytu, čímž snižují elektrochemickou kapacitu.

 

(E, f) kovová cizí tělesa, kal nebo kovová cizí tělesa vnesená do zařízení a prostředí a kovová cizí tělesa mohou lithiovým bateriím způsobit velké škody. Velké kovové částice přímo poškozují membránu, což vede ke zkratu mezi kladnou a zápornou elektrodou, což je fyzický zkrat. Kromě toho, když je kovové cizí těleso přimícháno do kladné elektrody, kladný potenciál se po nabití zvyšuje, kov se rozpouští, šíří se elektrolytem a poté se vysráží na negativním povrchu a nakonec propíchne membránu a vytvoří zkrat, což je chemický rozpouštěcí zkrat. Nejběžnější kovová cizí tělesa v areálu továrny na baterie jsou Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS atd.

 

(g, h) nerovnoměrný povlak, jako je míchání kaše není dostatečné, na jemnosti částic se snadno objevují pruhy, když jsou částice velké, což má za následek nerovnoměrný povlak, který ovlivní konzistenci kapacity baterie, a dokonce se objeví úplně žádný povlakový pruh, má vliv na kapacitu a bezpečnost.

(2) Technologie detekce povrchových defektů pólového čipu Technologie infračerveného (IR) tepelného zobrazování se používá k detekci drobných defektů na suchých elektrodách, které mohou poškodit výkon lithium-iontových baterií. Pokud je během online detekce zjištěna závada elektrody nebo znečišťující látka, označte ji na pólovém plechu, odstraňte ji v následném procesu a odešlete zpět na výrobní linku a upravte proces včas, aby byly závady odstraněny. Infračervený paprsek je druh elektromagnetického vlnění, které má stejnou povahu jako rádiové vlny a viditelné světlo. K převodu teplotního rozložení povrchu předmětu na viditelný obraz lidského oka se používá speciální elektronické zařízení a k zobrazení rozložení teplot na povrchu předmětu v různých barvách se nazývá infračervená termovizní technologie. Toto elektronické zařízení se nazývá infračervená termokamera. Všechny objekty nad absolutní nulou (-273℃) vyzařují infračervené záření.
Jak je znázorněno na obrázku 4, infračervený tepelný aproximátor (IR kamera) používá infračervený detektor a optický zobrazovací objektiv k přijetí diagramu distribuce energie infračerveného záření měřeného cílového objektu a jeho odrazu na fotocitlivý prvek infračerveného detektoru, aby získal infračervený termosnímek, který odpovídá teplotnímu distribučnímu poli na povrchu objektu. Když je na povrchu předmětu defekt, teplota se v oblasti posune. Proto lze tuto technologii použít i pro detekci vad na povrchu předmětu, zvláště vhodná pro některé vady, které nelze rozlišit optickými detekčními prostředky. Když je vysoušecí elektroda lithium-iontové baterie detekována online, elektroda je nejprve ozářena bleskem, změní se povrchová teplota a poté je povrchová teplota detekována termokamerou. Obraz distribuce tepla je vizualizován a obraz je zpracováván a analyzován v reálném čase pro detekci povrchových defektů a jejich včasné označení.D. Mohanty Studie instalovala termokameru na výstupu ze sušicí pece potahovacího zařízení, aby detekovala obraz rozložení teploty povrchu elektrodového plátu.

Obrázek 5 (a) je mapa rozložení teploty povrchu povlaku listu s kladným pólem NMC detekovaná termokamerou, která obsahuje velmi malou vadu, kterou nelze rozeznat pouhým okem. Křivka rozložení teploty odpovídající segmentu trasy je zobrazena na vnitřní vložce s teplotním vrcholem v bodě defektu. Na obrázku 5 (b) se teplota lokálně zvyšuje v odpovídajícím rámečku, což odpovídá defektu povrchu pólového plechu. OBR. 6 je diagram distribuce povrchové teploty plechu záporné elektrody ukazující existenci defektů, kde vrchol zvýšení teploty odpovídá bublině nebo agregátu a oblast poklesu teploty odpovídá dírce nebo kapce.

Obrázek 5 Rozložení teploty povrchu listu kladné elektrody

Obrázek 6 Rozložení teploty povrchu záporné elektrody

 

Je vidět, že termovizní detekce rozložení teploty je dobrým prostředkem pro detekci povrchových defektů pólového plechu, který lze použít pro kontrolu kvality výroby pólového plechu.3. Vliv povrchových defektů pólového plechu na výkon baterie

 

(1) Vliv na kapacitu násobiče baterie a účinnost Coulomb

Obrázek 7 ukazuje křivku vlivu agregátu a dírky na kapacitu násobiče baterie a účinnost coulenu. Agregát může ve skutečnosti zlepšit kapacitu baterie, ale snížit účinnost coulenu. Malá dírka snižuje kapacitu baterie a účinnost Kulunu a účinnost Kulunu výrazně klesá vysokou rychlostí.

Obrázek 7 katodový agregát a efekt dírky na kapacitu baterie a účinnost na obrázku 8 je nerovnoměrný povlak a kovové cizí těleso Co a Al na kapacitu baterie a vliv křivky účinnosti, nerovnoměrný povlak snižuje hmotnostní kapacitu baterie o 10 % - 20%, ale celá kapacita baterie se snížila o 60%, což ukazuje, že živá hmota v polárním kusu se výrazně snížila. Cizí těleso Metal Co snížená kapacita a Coulombova účinnost, dokonce i při velkém zvětšení 2C a 5C, vůbec žádná kapacita, což může být způsobeno tvorbou kovového Co při elektrochemické reakci lithia a zabudovaného lithia, nebo to mohou být kovové částice ucpaný pór membrány způsobil mikro zkrat.

Obrázek 8 Účinky nerovnoměrného povlaku kladné elektrody a kovových cizích těles Co a Al na kapacitu násobiče baterie a účinnost coulenu

Shrnutí defektů katodového listu: Atáty v povlaku katodového listu snižují Coulombovu účinnost baterie. Dírka pozitivního povlaku snižuje Coulombovu účinnost, což má za následek špatný výkon multiplikátoru, zejména při vysoké proudové hustotě. Heterogenní povlak vykazoval slabé zvětšení. Látky znečišťující kovové částice mohou způsobit mikrozkraty, a proto mohou značně snížit kapacitu baterie.
Obrázek 9 ukazuje dopad negativního proužku fólie na kapacitu multiplikátoru a Kulun účinnost baterie. Když dojde k úniku na záporné elektrodě, kapacita baterie se výrazně sníží, ale gramová kapacita není zřejmá a dopad na účinnost Kulun není významný.

 

Obrázek 9 Vliv proužku fólie s prosakováním záporné elektrody na kapacitu násobiče baterie a účinnost Kulun (2) Vliv na výkon cyklu násobiče baterie Obrázek 10 je výsledkem vlivu vady povrchu elektrody na cyklus násobiče baterie. Výsledky vlivu jsou shrnuty takto:
Egregace: při 2C je míra zachování kapacity 200 cyklů 70 % a vadná baterie je 12 %, zatímco v cyklu 5C je míra zachování kapacity 200 cyklů 50 % a vadná baterie je 14 %.
Jehlová díra: útlum kapacity je zřejmý, ale žádný agregovaný útlum defektu není rychlý a rychlost udržování kapacity 200 cyklů 2C a 5C je 47 % a 40 %.
Kovové cizí těleso: kapacita kovového Co cizího tělesa je po několika cyklech téměř 0 a kapacita 5C cyklu kovového cizího tělesa Al fólie výrazně klesá.
Proužek netěsnosti: Pro stejnou oblast úniku se kapacita baterie několika menších proužků snižuje rychleji než u většího proužku (47 % pro 200 cyklů v 5C) (7 % pro 200 cyklů v 5C). To znamená, že čím větší je počet proužků, tím větší je dopad na cyklus baterie.

Obrázek 10 Vliv povrchových defektů elektrodové desky na cyklus buněčné rychlosti

 

Ref.: [1] Nedestruktivní hodnocení lithiových sekundárních bateriových elektrod potažených štěrbinou in-line laserovým posuvným měřítkem a metodami IR termografie [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Efekt defektů výroby elektrod na elektrochemickém výkonu lithium-iontových baterií: Poznání zdrojů selhání baterie[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.