Нууцыг задлах нь: Лити-ион батерейны онолын супер хүчин чадал

Литиум батерей яагаад байдаг нь онолын хувьд супер хүчин чадалтай үзэгдэл юм

Лити-ион батерейнд (LIBs) шилжилтийн металлын исэлд суурилсан олон электродууд нь онолын үнэ цэнээс хэтэрсэн ер бусын өндөр хадгалах багтаамжтай байдаг. Хэдийгээр энэ үзэгдлийг олон нийтэд мэдээлсэн ч эдгээр материал дахь физик-химийн үндсэн механизм нь ойлгомжгүй хэвээр байгаа бөгөөд маргаантай хэвээр байна.

Үр дүнгийн профайл

Саяхан Канадын Ватерлоогийн их сургуулийн профессор Миао Гуосин, Остин дахь Техасын их сургуулийн профессор Ю Гуйхуа, Чиндаогийн их сургуулийн Ли Хонсен, Ли Цян нар хамтран "Байгалийн материалын талаар "Нэмэлт хадгалах багтаамжтай Шилжилтийн металлын ислийн лити-ион батерейг in situ соронзон хэмжүүрээр илрүүлсэн". Зохиогчид энэ ажилд металл нано бөөмс дээр хүчтэй гадаргуугийн багтаамж байгааг харуулахын тулд газар дээр нь соронзон хяналтыг ашигласан бөгөөд олон тооны эргэлтийн туйлширсан электронууд аль хэдийн багассан металл нано бөөмүүдэд хадгалагдаж болохыг харуулсан бөгөөд энэ нь орон зайн цэнэгийн механизмтай нийцдэг. Нэмж дурдахад, илчлэгдсэн орон зайн цэнэгийн механизмыг бусад шилжилтийн металлын нэгдлүүдэд өргөтгөх боломжтой бөгөөд энэ нь дэвшилтэт эрчим хүч хадгалах системийг бий болгох гол удирдамж болно.

Судалгааны онцлох зүйл

(1) Ердийн Fe-г газар дээрх соронзон хяналтын техникийг ашиглан судалсан.3O4/ Ли батерейны электрон бүтцийн хувьсал;

(2) Fe3O4 / Li системд гадаргуугийн цэнэгийн багтаамж нь нэмэлт хүчин чадлын гол эх үүсвэр болохыг харуулж байна;

(3) Металл нано хэсгүүдийн гадаргуугийн багтаамжийн механизм нь шилжилтийн металлын нэгдлүүдийн өргөн хүрээг хамарч болно.

Текст болон текст гарын авлага

1. Бүтцийн шинж чанар ба цахилгаан химийн шинж чанарууд

Монодисперс хөндий Fe-ийг уламжлалт гидротермаль аргаар3O4Наносферээр нийлэгжүүлж, дараа нь гүйдлийн нягтар 100мАг−1Цэнэглэх ба цэнэггүй болгох (Зураг 1а), эхний цэнэгийн хүчин чадал нь 1718mAh g−1, 1370mAhg, 1 дахь удаагаа тус тус 1,364mAhg байна. 1Мөн 926 мАг−1, Хол 1 мАг−3 Хүлээлтийн онол. Бүрэн цэнэггүй болсон бүтээгдэхүүний BF-STEM зураг (Зураг 4b-c) нь литийг бууруулсны дараа Fe1O3 нано бөмбөрцгийг Li2O төвд тарааж, XNUMX-XNUMX нм хэмжээтэй жижиг Fe нано бөөмс болгон хувиргасныг харуулж байна.

Цахилгаан химийн мөчлөгийн үед соронзлолын өөрчлөлтийг харуулахын тулд 0.01 В хүртэл бүрэн цэнэггүй болсоны дараа соронзлолтын муруйг олж авсан (Зураг 1d) нь нано бөөмс үүсэхээс үүдэлтэй супер парамагнит чанарыг харуулсан.

Зураг 1 (а) гүйдлийн нягтрал100O1-ийн 3 мАг−4Fe-ийн мөчлөгийн үед/ Li зайны тогтмол гүйдлийн цэнэг ба цэнэгийн муруй; (б) бүрэн литийн Fe3O4Электродын BF-STEM дүрс; (в) O болон Fe хоёрын аль алиных нь нийлбэр 2 Өндөр нарийвчлалтай BF-STEM зурагт Li байгаа эсэх; (г) Fe3O4 Электродын өмнөх (хар) ба дараа (цэнхэр) гистерезисийн муруй, сүүлчийнх нь Лангевин тохируулсан муруй (ягаан).

2. Бүтцийн болон соронзон хувьслын бодит цагийн илрүүлэлт

Fe3O4-тэй холбоотой бүтцийн болон соронзон өөрчлөлтүүдтэй цахилгаан химийг хослуулахын тулд электродууд нь in situ рентген туяаны дифракц (XRD) ба соронзон хяналтанд хамрагдсан. Нээлттэй хэлхээний хүчдэлээс (OCV) 3V4O1.2 хүртэлх анхны цэнэгийн үеийн XRD дифракцийн цуврал дахь Fe Дифракцийн оргилууд нь эрчим болон байрлалын аль алинд нь мэдэгдэхүйц өөрчлөгдөөгүй (Зураг 3a) нь Fe4O2 Зөвхөн Li интеркалацийн процессыг мэдэрсэн болохыг харуулж байна. 3V хүртэл цэнэглэх үед Fe4O3The anti-spinel бүтэц нь бүрэн бүтэн хэвээр байгаа нь энэ хүчдэлийн цонхны үйл явц маш их урвуу гэдгийг харуулж байна. Цаашид газар дээрх соронзон хяналтыг тогтмол гүйдлийн цэнэг гүйдлийн туршилттай хослуулан соронзлол нь бодит цаг хугацаанд хэрхэн хөгжиж байгааг судлах зорилгоор хийсэн (Зураг 3b).

Зураг 2 In-situ XRD ба соронзон мониторингийн шинж чанар.(A) in situ XRD; (б) Fe3O4 3 Т хэрэглэсэн соронзон орон ба харгалзах буцах боломжтой соронзон урвалын дор цахилгаан химийн цэнэг гүйдлийн муруй.

Соронзлолын өөрчлөлтийн хувьд энэхүү хувиргах үйл явцын талаар илүү энгийн ойлголттой болохын тулд соронзон хариу урвалыг бодит цаг хугацаанд цуглуулж, электрохимийн урвалыг дагалддаг харгалзах фазын шилжилтийг хийдэг (Зураг 3). Эхний цэнэгийн үед Fe3O4Электродын соронзлолтын хариу үйлдэл нь эхний литализацийн үед Fe-ийн нөлөөгөөр бусад циклээс ялгаатай нь тодорхой байна3O4Үйл ажиллагааны эргэлт буцалтгүй фазын шилжилт явагддаг. Потенциал 0.78V хүртэл буурахад Fe3O4The antispinel үе шат нь Li2-ийн FeO ангиллын галитын бүтэцтэй болж хувирсан, Fe3O4-ийн фазыг цэнэглэсний дараа сэргээх боломжгүй. Үүний дагуу соронзлол нь 0.482 μ b Fe−1 болж хурдан буурдаг. Литиалжих явцад шинэ үе үүсэхгүй бөгөөд (200) ба (220) ангиллын FeO дифракцийн оргилуудын эрчим суларч эхлэв. тэнцүү Fe3O4Электродыг бүрэн лиализаци хийх үед мэдэгдэхүйц XRD оргил үлдэхгүй (Зураг 3a). Fe3O4 электрод 0.78V-ээс 0.45V хүртэл цэнэггүй болоход соронзлол (0.482 μ b Fe−1-ээс 1.266 μ bFe−1 болж нэмэгдсэн) нь FeO-аас Fe руу хувирах урвалтай холбоотой болохыг анхаарна уу. Дараа нь цэнэгийн төгсгөлд соронзлол аажмаар буурч, 1.132 μ B Fe−1 болсон. Энэхүү олдвор нь бүрэн хэмжээгээр бууруулсан металл Fe0Nanoparticles нь литийн хадгалалтын урвалд оролцож, улмаар электродын соронзлолтыг бууруулдаг болохыг харуулж байна.

Зураг 3 Фазын шилжилт ба соронзон хариу үйлдлийг газар дээр нь хийсэн ажиглалт.（a）Fe3O4Электродын эхний цэнэгийн үед цуглуулсан In situ XRD зураг; (б) Fe3O4 In situ соронзон хүчийг 3 Т-ийн хэрэглэсэн соронзон орны / Li эсийн цахилгаан химийн мөчлөгийн хэмжилт.

3. Fe0/Li2O системийн гадаргуугийн багтаамж

Fe3O4 Электродын соронзон өөрчлөлт нь бага хүчдэлийн үед тохиолддог бөгөөд энэ үед нэмэлт цахилгаан химийн хүчин чадал үүсдэг бөгөөд энэ нь эсийн дотор нээгдээгүй цэнэг зөөгч байгааг харуулж байна. Лити хадгалах боломжит механизмыг судлахын тулд Fe-г XPS, STEM болон соронзон гүйцэтгэлийн спектрийн 3O4-ийн тусламжтайгаар 0.01V, 0.45V, 1.4V-ийн соронзлолын оргилын электродоор судалж, соронзон өөрчлөлтийн эх үүсвэрийг тодорхойлсон. Үр дүн нь соронзон момент нь соронзон өөрчлөлтөд нөлөөлөх гол хүчин зүйл болохыг харуулж байна, учир нь хэмжсэн O системийн Fe0/Li2The Ms нь соронзон анизотропи болон бөөмс хоорондын холболтод нөлөөлдөггүй.

Бага хүчдэлийн электродын Fe3O4-ийн кинетик шинж чанарыг илүү сайн ойлгохын тулд янз бүрийн скан хурдаар циклийн вольтметрийн хэмжилт хийх. Зураг 4а-д үзүүлснээр 0.01V ба 1V-ийн хоорондох хүчдэлийн мужид тэгш өнцөгт мөчлөгт вольтаммограммын муруй гарч ирнэ (Зураг 4a). Зураг 4b-д Fe3O4A багтаамжийн хариу электрод дээр үүссэн болохыг харуулж байна. Тогтмол гүйдлийн цэнэг ба цэнэгийн процессын өндөр урвуу соронзон хариу үйлдэл (Зураг 4в) үед электродын соронзлол нь цэнэгийн алдалтын явцад 1V-ээс 0.01V хүртэл буурч, цэнэглэх явцад дахин нэмэгдсэн нь Fe0Of конденсатортой төстэй болохыг харуулж байна. Гадаргуугийн урвал маш их буцаах чадвартай.

Зураг 4 цахилгаан химийн шинж чанар ба 0.011 В-ийн газар дээрх соронзон шинж чанар.(A) Цикл вольтметрийн муруй.(B) b утгыг оргил гүйдэл ба скан хурдны хоорондын хамаарлыг ашиглан тодорхойлно; (в) 5 Т-ийн хүчин чадалтай соронзон орны нөлөөн дор цэнэглэгдэх цэнэгийн муруйтай харьцуулахад соронзлолтын урвуу өөрчлөлт.

Дээр дурдсан Fe3O4 Электродуудын цахилгаан химийн, бүтцийн болон соронзон шинж чанарууд нь нэмэлт зайны багтаамжийг Fe0-ээр тодорхойлдог болохыг харуулж байна. Нано бөөмсийн эргэлтийн туйлширсан гадаргуугийн багтаамж нь дагалдах соронзон өөрчлөлтөөс үүдэлтэй. Спин-туйлшсан багтаамж нь интерфэйс дээр эргэх туйлширсан цэнэгийн хуримтлалын үр дүн бөгөөд цэнэглэх, цэнэггүй болгох үед Fe3O4-д соронзон хариу үзүүлэх боломжтой. Үндсэн электрод нь эхний цэнэгийн процессын явцад O субстрат дахь Li2Fine Fe нано хэсгүүдэд тархсан. их хэмжээний гадаргуу ба эзэлхүүний харьцаатай бөгөөд өндөр нягтралтай d орбиталуудын улмаас Ферми түвшинд төлөв байдлын өндөр нягтралыг олж авдаг. Майерийн орон зайн цэнэгийн хадгалалтын онолын загварт үндэслэн зохиогчид их хэмжээний электроныг Fe / Li2-д агуулагдах металл Fe нано бөөмсийн ээрэх хуваах зурваст хадгалах боломжтой гэж санал болгож байна. Зураг 5).

график 5Fe/Li2A О-интерфэйс дэх спин-туйлшсан электронуудын гадаргуугийн багтаамжийн бүдүүвч зураг.(A) ферросоронзон металлын хэсгүүдийн гадаргуугийн эргэлтийн туйлшралын төлөвийн нягтын бүдүүвч диаграмм (цахилгаанаас өмнөх ба дараах) төмрийн бөөн эргэлтийн туйлшрал; (б) хэт хадгалагдсан литийн гадаргуугийн конденсаторын загварт орон зайн цэнэгийн муж үүсэх.

Дүгнэлт ба хэтийн төлөв

TM / Li-г орчин үеийн дэвшилтэт соронзон хяналтаар судалж, 2 О нанокомпозитын дотоод электрон бүтцийн хувьслыг судалж, энэхүү лити-ион батерейны нэмэлт багтаамжийн эх үүсвэрийг илрүүлсэн. Үр дүн нь Fe3O4/Li загварын эсийн системийн аль алинд нь цахилгаан химийн аргаар бууруулсан Fe нано бөөмс нь эсийн хэт их багтаамж болон интерфэйс хоорондын соронзлолыг ихээхэн өөрчилсөнөөс болж эргэх туйлширсан электронуудыг их хэмжээгээр хадгалж чаддаг болохыг харуулж байна. Туршилтаар CoO, NiO, FeF2, Fe2-ыг цаашид баталгаажуулсан. N электродын материалд ийм багтаамж байгаа нь литийн ион батерей дахь металл нано хэсгүүдийн эргэлтийн туйлшралтай гадаргуугийн багтаамж байгааг харуулж байгаа бөгөөд бусад шилжилтийн үед орон зайн цэнэгийг хадгалах энэхүү механизмыг ашиглах үндэс суурийг тавьсан юм. металлын нэгдэл дээр суурилсан электродын материал.

Уран зохиолын холбоос

Шилжилтийн металлын ислийн лити-ион батерейны нэмэлт багтаамжийг in situ соронзон хэмжүүрээр илрүүлсэн (Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

Гүйцэтгэлд литийн электродын вафель дизайны томъёо ба электродын вафель согогийн нөлөө

1. Туйл киноны дизайны үндсэн нийтлэл

Литиум батерейны электрод нь металл шингэнд жигд түрхсэн тоосонцороос бүрдсэн бүрхүүл юм. Лити-ион батерейны электродын бүрээсийг үндсэндээ гурван хэсгээс бүрдсэн нийлмэл материал гэж үзэж болно.

(1) Идэвхтэй бодисын тоосонцор;

(2) дамжуулагч бодис ба бодисыг бүрдүүлэгч үе шат (нүүрстөрөгчийн наалдамхай үе);

(3) Нүх, электролитээр дүүргэ.

Үе шат бүрийн эзлэхүүний хамаарлыг дараах байдлаар илэрхийлнэ.

Сүвэрхэг чанар + амьд бодисын эзлэхүүний хэсэг + нүүрстөрөгчийн наалдамхай фазын эзлэхүүний хэсэг =1

Литиум батерейны электродын дизайны загвар нь маш чухал бөгөөд одоо литийн батерейны электродын дизайны талаархи үндсэн мэдлэгийг товч танилцуулж байна.

(1) Электродын материалын онолын хүчин чадал Электродын материалын онолын багтаамж, өөрөөр хэлбэл цахилгаан химийн урвалд оролцдог материалд агуулагдах бүх лити ионуудын багтаамж, түүний утгыг дараах тэгшитгэлээр тооцоолно.

Жишээлбэл, LiFePO4The молийн масс нь 157.756 г/моль бөгөөд онолын хүчин чадал нь:

Энэ тооцоолсон утга нь зөвхөн онолын граммын багтаамж юм. Материалын урвуу бүтцийг хангахын тулд литийн ионыг зайлуулах бодит коэффициент 1-ээс бага, материалын бодит грамм багтаамж нь:

Материалын бодит грамм багтаамж = литийн ионыг салгах коэффициентийн онолын хүчин чадал

(2) Зайны тооцооны хүчин чадал ба хэт нэг талын нягтрал Батерейны загвар хүчин чадлыг дараах томъёогоор тооцоолж болно: зайны тооцооны хүчин чадал = бүрэх гадаргуугийн нягт идэвхтэй материалын харьцаа идэвхтэй материалын грамм багтаамж шон хуудас бүрэх талбай

Тэдгээрийн дотроос бүрэх гадаргуугийн нягт нь дизайны гол үзүүлэлт юм. Нягтруулах нягтрал өөрчлөгдөхгүй үед бүрхүүлийн гадаргуугийн нягтрал нэмэгдэх нь туйлын зузаан нэмэгдэж, электрон дамжуулах зай нэмэгдэж, электрон эсэргүүцэл нэмэгдэх боловч өсөлтийн хэмжээ хязгаарлагдмал байна. Зузаан электродын хуудсанд электролит дахь литийн ионуудын шилжилт хөдөлгөөний эсэргүүцэл нэмэгдэж байгаа нь харьцааны шинж чанарт нөлөөлдөг гол шалтгаан юм. Нүхжилт ба нүх сүвний эргэлтийг харгалзан үзвэл нүх сүв дэх ионуудын шилжилтийн зай нь шонгийн зузаанаас хэд дахин их байна.

(3) Сөрөг-эерэг хүчин чадлын харьцаа N / P сөрөг хүчин чадлын эерэг хүчин чадлын харьцааг дараах байдлаар тодорхойлно.

N / P нь 1.0-ээс их байх ёстой, ерөнхийдөө 1.04 ~ 1.20 бөгөөд энэ нь аюулгүй байдлын загварт голчлон, сөрөг тал нь литийн ионыг хүлээн авах эх үүсвэргүйгээр хур тунадас орохоос сэргийлж, бүрэх хазайлт гэх мэт процессын хүчин чадлыг харгалзан загварчлах ёстой. Гэсэн хэдий ч, N / P хэт том бол батерей нь эргэлт буцалтгүй хүчин чадлаа алдаж, батерейны багтаамж бага, батерейны эрчим хүчний нягтрал багасна.

Лити титанатын анодын хувьд эерэг электродын илүүдэл загварыг авч, зайны багтаамжийг лити титанатын анодын хүчин чадлаар тодорхойлно. Эерэг илүүдэл дизайн нь батерейны өндөр температурын ажиллагааг сайжруулахад тустай: өндөр температурт хий нь голчлон сөрөг электродоос гардаг. Эерэг илүүдэл загварт сөрөг боломж бага, лити титанатын гадаргуу дээр SEI хальс үүсгэх нь илүү хялбар байдаг.

(4) Бүрээсний нягтрал ба сүвэрхэг чанар Үйлдвэрлэлийн процесст аккумуляторын электродын бүрээсний нягтралын нягтыг дараах томъёогоор тооцоолно. Тулгуур хавтанг өнхрүүлэх үед металл тугалган цаасыг сунгаж байгааг харгалзан өнхрүүлсний дараах бүрхүүлийн гадаргуугийн нягтыг дараах томъёогоор тооцоолно.

Өмнө дурьдсанчлан бүрхүүл нь амьд материалын фаз, нүүрстөрөгчийн наалдамхай үе ба нүх сүвээс бүрдэх ба сүвэрхэг чанарыг дараах тэгшитгэлээр тооцоолж болно.

Тэдгээрийн дотроос бүрэх дундаж нягт нь: литийн батерейны электрод нь бүрэх нунтаг хэсгүүдийн нэг төрөл юм, учир нь нунтаг хэсгүүдийн гадаргуу нь барзгар, жигд бус хэлбэртэй, хуримтлагдах үед бөөмс ба хэсгүүдийн хооронд бөөмс, мөн зарим хэсгүүд нь өөрөө хагарал, нүхтэй байдаг. Тиймээс нунтаг эзэлхүүн нь нунтаг эзэлхүүн, нунтаг хэсгүүд ба хэсгүүдийн хоорондох нүх сүв, тиймээс электродын бүрэх нягтрал ба сүвэрхэг байдлын төлөөллийн харгалзах олон янз байдал. Нунтаг хэсгүүдийн нягт нь нэгж эзэлхүүн дэх нунтаг массыг хэлнэ. Нунтаг эзэлхүүний дагуу жинхэнэ нягтрал, бөөмийн нягтрал, хуримтлалын нягтрал гэсэн гурван төрөлд хуваагддаг. Төрөл бүрийн нягтралыг дараах байдлаар тодорхойлно.

1. Жинхэнэ нягтрал гэдэг нь бөөмийн дотоод болон гадна талын цоорхойг эс тооцвол нунтаг массыг эзлэхүүнд (бодит эзэлхүүн) хуваах замаар олж авсан нягтыг хэлнэ. Энэ нь бүх хоосон зайны эзэлхүүнийг хассаны дараа олж авсан материалын нягтрал юм.
2. Бөөмийн нягт гэдэг нь нунтаг массыг задгай нүх ба хаалттай нүхийг багтаасан бөөмийн эзэлхүүнд хуваах замаар олж авсан бөөмсийн нягтыг хэлнэ. Энэ нь бөөмсийн хоорондох ялгаа, харин бөөмс доторх нарийн нүх биш, бөөмсийн нягтрал.
3. Хуримтлуулах нягтрал, өөрөөр хэлбэл бүрэх нягтрал нь нунтаг массаас олж авсан нягтыг нунтагаас үүссэн бүрхүүлийн эзэлхүүнд хуваана. Ашигласан эзэлхүүн нь бөөмсийн нүх сүв болон хэсгүүдийн хоорондох хоосон зайг агуулдаг.

Ижил нунтгийн хувьд жинхэнэ нягт > бөөмийн нягт > савлах нягт. Нунтагны сүвэрхэг чанар нь нунтаг хэсгүүдийн бүрхүүл дэх нүх сүвний харьцаа, өөрөөр хэлбэл нунтаг хэсгүүд ба хэсгүүдийн нүх сүвүүдийн хоорондох хоосон зайны эзлэхүүнийг бүрэх нийт эзэлхүүнтэй харьцуулсан харьцаа бөгөөд үүнийг ихэвчлэн илэрхийлдэг. хувиар. Нунтагны сүвэрхэг чанар нь бөөмийн морфологи, гадаргуугийн төлөв байдал, бөөмийн хэмжээ, ширхэгийн хэмжээтэй тархалттай холбоотой цогц шинж чанар юм. Түүний сүвэрхэг чанар нь электролит ба литийн ионы дамжуулалтын нэвчилтэд шууд нөлөөлдөг. Ерөнхийдөө сүвэрхэг чанар их байх тусам электролитийн нэвчилт хялбар, литийн ионы дамжуулалт хурдан болдог. Тиймээс литийн батерейны дизайнд заримдаа сүвэрхэг чанарыг тодорхойлохын тулд мөнгөн усны даралтын арга, хийн шингээлтийн арга гэх мэт өргөн хэрэглэгддэг. Мөн нягтын тооцоог ашиглан олж авч болно. Тооцоололд янз бүрийн нягтыг ашиглах үед сүвэрхэг чанар нь өөр өөр үр дагавартай байж болно. Амьд бодис, дамжуулагч бодис ба холбогч бодисын сүвэрхэг байдлын нягтыг жинхэнэ нягтаар тооцоход тооцоолсон сүвэрхэг чанарт бөөмс хоорондын зай ба бөөмсийн доторх цоорхойг оруулна. Амьд бодис, дамжуулагч бодис, холбогч бодисын сүвэрхэг чанарыг бөөмийн нягтаар тооцоход тооцоолсон сүвэрхэг чанарт бөөмсийн хоорондох зайг багтаасан боловч бөөмсийн доторх цоорхойг тооцохгүй. Тиймээс литийн батерейны электродын хуудасны нүхний хэмжээ нь мөн олон масштабтай байдаг бөгөөд ерөнхийдөө бөөмс хоорондын зай нь микрон хэмжээтэй байдаг бол бөөмсийн доторх зай нь нанометрээс дэд микрон хэмжээтэй байна. Сүвэрхэг электродуудад үр дүнтэй тархалт ба дамжуулалт зэрэг тээвэрлэлтийн шинж чанаруудын хамаарлыг дараах тэгшитгэлээр илэрхийлж болно.

D0 нь материалын өөрийнх нь тархалтын (дамжуулагчийн) хурдыг илэрхийлдэг бол ε нь харгалзах фазын эзлэхүүний хэсэг, τ нь харгалзах фазын эргэлтийн муруйлт юм. Макроскопийн нэгэн төрлийн загварт сүвэрхэг электродын үр дүнтэй эерэг чанарыг тооцоолохын тулд ɑ =1.5 коэффициентийг авч, Брюггеманы харьцааг ерөнхийд нь ашигладаг.

Электролит нь сүвэрхэг электродуудын нүх сүвээр дүүрсэн бөгөөд литийн ионууд электролитээр дамждаг бөгөөд литийн ионуудын дамжуулах шинж чанар нь сүвэрхэгтэй нягт холбоотой байдаг. Сүвэрхэг чанар их байх тусам электролитийн фазын эзлэхүүний хэсэг их байх ба литийн ионуудын үр ашигтай дамжуулалт их байх болно. Эерэг электродын хуудсанд электронууд нь нүүрстөрөгчийн наалдамхай фазаар дамждаг, нүүрстөрөгчийн наалдамхай фазын эзлэхүүний хэсэг, нүүрстөрөгчийн наалдамхай фазын тойрог зам нь электронуудын үр дүнтэй дамжуулалтыг шууд тодорхойлдог.

Нүүрстөрөгчийн наалдамхай фазын сүвэрхэг чанар ба эзэлхүүний хэсэг нь хоорондоо зөрчилддөг бөгөөд их хэмжээний сүвэрхэг байдал нь нүүрстөрөгчийн наалдамхай фазын эзлэхүүний эзлэхүүнийг зайлшгүй хүргэдэг тул литийн ион ба электронуудын үр дүнтэй дамжуулах шинж чанарууд нь мөн зөрчилддөгийг Зураг 2-т үзүүлэв. Сүвэрхэг чанар багасах тусам литийн ионы үр ашигтай дамжуулалт буурч, электрон үр дүнтэй дамжуулалт нэмэгддэг. Энэ хоёрыг хэрхэн тэнцвэржүүлэх нь электродын загварт бас чухал юм.

Зураг 2 Сүвэрхэг ба литийн ион ба электрон дамжуулалтын бүдүүвч диаграм

2. Тулгуурын согогийн төрөл ба илрүүлэх

 

Одоогийн байдлаар батерейны шон бэлтгэх явцад бүтээгдэхүүний үйлдвэрлэлийн согогийг үр дүнтэй тодорхойлох, гэмтэлтэй бүтээгдэхүүнийг арилгах, үйлдвэрлэлийн шугамд цаг тухайд нь хариу өгөх, үйлдвэрлэлд автомат эсвэл гараар тохируулах зорилгоор онлайн илрүүлэх технологи улам бүр нэмэгдэж байна. үйл явц, доголдлыг бууруулах.

Тулгуур хуудас үйлдвэрлэхэд түгээмэл хэрэглэгддэг онлайн илрүүлэх технологид зутангийн шинж чанарыг илрүүлэх, шонгийн чанарыг илрүүлэх, хэмжээс илрүүлэх гэх мэт орно. Жишээлбэл: (1) онлайн зуурамтгай чанар хэмжигчийг реологийг илрүүлэхийн тулд бүрэх хадгалах саванд шууд суурилуулсан. Бодит хугацаанд зутангийн шинж чанар, Савны тогтвортой байдлыг шалгах; (2) Бүрэх явцад рентген эсвэл β-туяа ашиглах, хэмжилтийн өндөр нарийвчлал, гэхдээ их хэмжээний цацраг, тоног төхөөрөмжийн өндөр үнэ, засвар үйлчилгээний асуудал; (3) Тулгуур хуудасны зузааныг хэмжихийн тулд лазерын онлайн зузааныг хэмжих технологийг ашигладаг, Хэмжилтийн нарийвчлал нь ± 1. 0 μ м хүрч чаддаг, Энэ нь хэмжсэн зузаан, зузаанын өөрчлөлтийн чиг хандлагыг бодит цаг хугацаанд харуулах боломжтой, Мэдээллийг хянах боломжийг хөнгөвчлөх боломжтой. ба дүн шинжилгээ хийх; (4) CCD харааны технологи, өөрөөр хэлбэл CCD шугамын массив нь хэмжсэн объектыг сканнердах, бодит цагийн дүрсийг боловсруулах, согогийн ангилалд дүн шинжилгээ хийх, шонгийн гадаргуугийн согогийг онлайнаар гэмтээхгүй илрүүлэх боломжийг олгодог.

Чанарын хяналтын хэрэгсэл болохын хувьд онлайн туршилтын технологи нь согог ба батерейны гүйцэтгэлийн хамаарлыг ойлгоход чухал ач холбогдолтой бөгөөд ингэснээр хагас боловсруулсан бүтээгдэхүүний шаардлага хангасан / шаардлага хангаагүй шалгуурыг тодорхойлох болно.

Сүүлчийн хэсэгт литийн ион батерейны гадаргуугийн согогийг илрүүлэх технологийн шинэ арга, хэт улаан туяаны дулааны дүрслэлийн технологи болон эдгээр өөр өөр согогууд болон цахилгаан химийн үзүүлэлтүүдийн хоорондын хамаарлыг товч танилцуулсан болно.Д.Мохантитай зөвлөлдөх нь Моханти нар.

(1) Тулгуур хуудасны гадаргуу дээрх нийтлэг согогууд

Зураг 3-т литийн ион батерейны электродын гадаргуу дээрх нийтлэг согогийг харуулсан ба зүүн талд нь оптик дүрс, баруун талд нь дулааны зураг авагчийн авсан зураг байна.

Зураг 3 Тулгуур хуудасны гадаргуу дээрх нийтлэг согогууд: (a, b) товойсон дугтуй / дүүргэгч; (в, г) дусал материал / нүх; (д, е) металл гадны биет; (g, h) жигд бус бүрэх

 

(А, б) товойсон / дүүргэгч, зутан жигд хутгах эсвэл бүрэх хурд тогтворгүй бол ийм согог үүсч болно. Наалдамхай болон нүүрстөрөгчийн хар дамжуулагч бодисуудын нэгдэл нь идэвхтэй бодисын агууламж багатай, туйлын шахмал жин багатай байдаг.

 

(в, г) дусал / нүх, эдгээр согогтой хэсгүүд нь бүрээсгүй бөгөөд ихэвчлэн зутан дахь бөмбөлөгүүдээр үүсдэг. Тэд идэвхтэй материалын хэмжээг багасгаж, коллекторыг электролитийн нөлөөнд оруулснаар электрохимийн хүчин чадлыг бууруулдаг.

 

(E, f) тоног төхөөрөмж, хүрээлэн буй орчинд нэвтэрсэн металл гадны биетүүд, зутан эсвэл металл гадны биетүүд, металл гадны биетүүд нь лити батерейнд ихээхэн хор хөнөөл учруулдаг. Том хэмжээний металл хэсгүүд нь диафрагмыг шууд гэмтээж, эерэг ба сөрөг электродуудын хооронд богино холболт үүсгэдэг бөгөөд энэ нь физик богино холболт юм. Үүнээс гадна металл гадны биетийг эерэг электродтой холих үед цэнэглэсний дараа эерэг потенциал нэмэгдэж, метал уусч, электролитээр тархаж, улмаар сөрөг гадаргуу дээр тунадас үүсч, эцэст нь диафрагмыг цоолж, богино холболт үүсгэдэг. Энэ нь химийн уусалтын богино холболт юм. Зайны үйлдвэрийн талбайд хамгийн түгээмэл металл гадны биетүүд нь Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS гэх мэт.

 

(g, h) жигд бус бүрэх, тухайлбал зутан холих нь хангалтгүй, ширхэгийн нарийн ширхэгтэй хэсэг нь том хэмжээтэй үед судлууд гарч ирэхэд хялбар, жигд бус бүрэх нь батерейны багтаамжид нөлөөлж, бүр бүрэн харагдах болно. бүрэх зурвасгүй, хүчин чадал, аюулгүй байдалд нөлөөлдөг.

(2) Туйл чипийн гадаргуугийн согогийг илрүүлэх технологи Хэт улаан туяаны (IR) дулааны дүрслэлийн технологийг лити-ион батерейны гүйцэтгэлийг гэмтээж болох хуурай электродууд дээрх бага зэргийн согогийг илрүүлэхэд ашигладаг. Онлайн илрүүлэх явцад электродын согог, бохирдуулагч илэрсэн тохиолдолд шонгийн хуудсан дээр тэмдэглэж, дараа дараагийн процесст арилгуулж, үйлдвэрлэлийн дамжлагад санал болгож, алдаа дутагдлыг арилгах үйл явцыг цаг тухайд нь тохируулна. Хэт улаан туяа нь радио долгион, үзэгдэх гэрэлтэй ижил шинж чанартай цахилгаан соронзон долгион юм. Аливаа объектын гадаргуугийн температурын хуваарилалтыг хүний ​​нүдэнд харагдахуйц дүрс болгон хувиргах тусгай электрон төхөөрөмж ашигладаг бөгөөд объектын гадаргуугийн температурын хуваарилалтыг янз бүрийн өнгөөр ​​харуулахыг хэт улаан туяаны дулааны дүрслэл гэж нэрлэдэг. Энэхүү электрон төхөөрөмжийг хэт улаан туяаны дулааны дүрслэл гэж нэрлэдэг. Үнэмлэхүй тэгээс дээш (-273℃) бүх объектууд хэт улаан туяаны цацраг ялгаруулдаг.
Зураг 4-т үзүүлсэнчлэн, хэт улаан туяаны дулааны ойртуулагч (IR камер) нь хэт улаан туяаны мэдрэгч болон оптик дүрслэлийн объектыг ашиглан хэмжсэн зорилтот объектын хэт улаан туяаны цацрагийн энергийн тархалтын хэв маягийг хүлээн авч, хэт улаан туяаны мэдрэгчийн гэрэл мэдрэмтгий элемент дээр тусгадаг. объектын гадаргуу дээрх дулааны хуваарилалтын талбарт тохирсон хэт улаан туяаны дулааны зураг. Объектын гадаргуу дээр согог байгаа тохиолдолд тухайн хэсэгт температур өөрчлөгддөг. Тиймээс энэ технологийг объектын гадаргуу дээрх согогийг илрүүлэхэд ашиглаж болно, ялангуяа оптик илрүүлэх аргаар ялгах боломжгүй зарим согогуудад тохиромжтой. Лити-ион батерейны хатаах электродыг онлайнаар илрүүлэхэд электродын электродыг эхлээд флэшээр цацруулж, гадаргуугийн температур өөрчлөгддөг бөгөөд дараа нь гадаргуугийн температурыг дулааны дүрслэлээр илрүүлдэг. Дулаан хуваарилалтын дүрсийг дүрслэн харуулах ба зургийг бодит цаг хугацаанд боловсруулан шинжилж, гадаргуугийн согогийг илрүүлж, цаг хугацаанд нь тэмдэглэнэ.D. Mohanty Судалгааны явцад электродын хуудасны гадаргуугийн температурын тархалтын дүрсийг илрүүлэхийн тулд бүрэх хатаах зуухны гаралтын хэсэгт дулааны камер суурилуулсан.

Зураг 5 (а) нь нүцгэн нүдээр ялгах боломжгүй маш жижиг согогийг агуулсан дулааны зураг авагчийн илрүүлсэн NMC эерэг туйлын хуудасны бүрэх гадаргуугийн температурын тархалтын зураг юм. Маршрутын сегментэд тохирох температурын тархалтын муруйг дотоод оруулгад харуулсан ба согогийн цэг дээр температурын өсөлттэй байна. Зураг 5 (b)-д туйлын хуудасны гадаргуугийн согогийг харгалзан харгалзах хайрцагт температур орон нутгийн хэмжээнд нэмэгддэг. ЗУРАГ. 6-д температурын өсөлтийн оргил нь бөмбөлөг эсвэл дүүргэгчтэй, температурын бууралтын талбай нь нүх эсвэл уналттай тохирч байгаа согог байгааг харуулсан сөрөг электродын хуудасны гадаргуугийн температурын тархалтын диаграм юм.

Зураг 5 Эерэг электродын хуудасны гадаргуугийн температурын хуваарилалт

Зураг 6 Сөрөг электродын гадаргуугийн температурын хуваарилалт

 

Температурын тархалтыг дулааны дүрслэлээр илрүүлэх нь шон хавтангийн гадаргуугийн согогийг илрүүлэх сайн хэрэгсэл бөгөөд үүнийг шонгийн үйлдвэрлэлийн чанарын хяналтад ашиглаж болно.3. Тулгуур хуудасны гадаргуугийн согогийн батерейны гүйцэтгэлд үзүүлэх нөлөө

 

(1) Зайны үржүүлэгч хүчин чадал болон Кулоны үр ашигт үзүүлэх нөлөө

Зураг 7-д дүүргэгч ба нүхний аккумляторын үржүүлэгчийн багтаамж болон кулений үр ашигт үзүүлэх нөлөөллийн муруйг харуулав. Дүүргэгч нь батерейны хүчин чадлыг сайжруулж болох ч кулений үр ашгийг бууруулдаг. Цоорхой нь зайны багтаамж болон Кулуны үр ашгийг бууруулж, Кулуны үр ашиг нь өндөр хурдтай буурдаг.

7-р зурагт катодын дүүргэгч ба нүхний нүхний нөлөөгөөр аккумуляторын хүчин чадал, 8-р зургийн үр ашиг нь жигд бус бүрэх, металл гадны биет Co, Al нь зайны багтаамж болон үр ашгийн муруйн нөлөө, жигд бус бүрэх нь батерейны жингийн багтаамжийг 10% бууруулдаг. 20%, харин бүхэл бүтэн батерейны хүчин чадал 60% -иар буурсан нь туйлын хэсэг дэх амьд масс мэдэгдэхүйц буурч байгааг харуулж байна. Metal Co гадны биетийн хүчин чадал багасч, Кулоны үр ашгийг 2С ба 5С өндөр өсгөсөн ч багтаамжгүй болсон нь литийн болон лити агуулсан электрохимийн урвалд металл Ко үүсэх, эсвэл металлын тоосонцортой холбоотой байж болох юм. диафрагмын нүхийг хааж, бичил богино холболт үүсгэсэн.

Зураг 8 Эерэг электродын тэгш бус бүрээс ба металл гадны биет Co, Al нь батерейны үржүүлэгчийн багтаамж болон кулений үр ашигт үзүүлэх нөлөө

Катодын хуудасны согогийн хураангуй: Катодын хуудасны бүрээс нь батерейны Кулоны үр ашгийг бууруулдаг. Эерэг бүрээсний нүх нь Кулоны үр ашгийг бууруулж, үржүүлэгчийн гүйцэтгэл муу, ялангуяа гүйдлийн өндөр нягтралд хүргэдэг. Нэг төрлийн бус бүрээс нь томруулдаг муу үзүүлэлтийг харуулсан. Металл тоосонцорыг бохирдуулагч бодисууд нь богино холболт үүсгэж, батерейны хүчин чадлыг ихээхэн бууруулдаг.
Зураг 9-д сөрөг нэвчилттэй тугалган туузны үржүүлэгчийн хүчин чадал, батерейны Кулуны үр ашигт үзүүлэх нөлөөг харуулав. Сөрөг электрод дээр гоожих үед батерейны хүчин чадал мэдэгдэхүйц багасах боловч граммын багтаамж нь тодорхойгүй, Кулуны үр ашигт үзүүлэх нөлөө нь тийм ч чухал биш юм.

 

Зураг 9 Батерейны үржүүлэгчийн хүчин чадал болон Кулуны үр ашигт сөрөг электродын алдагдал тугалган туузны нөлөө (2) Батерейны үржүүлэгчийн мөчлөгийн гүйцэтгэлд үзүүлэх нөлөө Зураг 10-д электродын гадаргуугийн согогийн аккумуляторын үржүүлэгчийн мөчлөгт үзүүлэх нөлөөллийн үр дүн. Нөлөөллийн үр дүнг дараах байдлаар нэгтгэн дүгнэв.
Эгрегация: 2С-т 200 циклийн хүчин чадлын засвар үйлчилгээний хувь 70%, гэмтэлтэй батарей 12%, харин 5С-ийн циклд 200 циклийн хүчин чадлын засвар үйлчилгээ 50%, гэмтэлтэй батарей 14% байна.
Зүүний цооног: хүчин чадлын сулрал нь илт байгаа боловч нийт согогийн бууралт хурдан биш бөгөөд 200 циклийн 2С ба 5С-ийн хүчин чадлын засвар үйлчилгээний хурд нь тус бүр 47% ба 40% байна.
Металл гадны биет: Металл Co гадны биетийн багтаамж нь хэд хэдэн мөчлөгийн дараа бараг 0 болж, металл гадны биетийн 5С циклийн багтаамж Al тугалган цаас мэдэгдэхүйц буурдаг.
Нэвчилтийн зурвас: Нэвчилттэй ижил талбайд олон жижиг судалтай батерейны багтаамж нь том зурвасаас хурдан буурдаг (47С-д 200 цикл хийхэд 5%) (7С-д 200 цикл хийхэд 5%). Энэ нь туузны тоо их байх тусам батерейны эргэлтэд илүү их нөлөө үзүүлдэг болохыг харуулж байна.

Зураг 10 Электродын хуудасны гадаргуугийн согогийн эсийн хурдны мөчлөгт үзүүлэх нөлөө

 

Лавлагаа: [1] Лазер диаметр хэмжигч ба IR термографийн аргаар оролтоор бүрсэн литийн хоёрдогч батерейны электродын үл эвдэх үнэлгээ [J]. ANALYTICALMETODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Үр нөлөө. Лити-ион батерейны электрохимийн гүйцэтгэлийн электродын үйлдвэрлэлийн согогийн тухай: Зайны эвдрэлийн эх үүсвэрийн талаархи ойлголт[J]. Эрчим хүчний эх сурвалжийн сэтгүүл.2016, 312: 70-79.