Afsløring af mysteriet: superteoretisk kapacitet i lithium-ion-batterier

Hvorfor lithium batteri eksisterer super teoretisk kapacitet fænomen

I lithium-ion-batterier (LIB'er) udviser mange overgangsmetaloxidbaserede elektroder usædvanlig høj lagerkapacitet ud over deres teoretiske værdi. Selvom dette fænomen er blevet rapporteret bredt, forbliver de underliggende fysisk-kemiske mekanismer i disse materialer undvigende og forbliver et spørgsmål om debat.

Resultatprofil

For nylig offentliggjorde professor Miao Guoxing fra University of Waterloo, Canada, professor Yu Guihua fra University of Texas i Austin, og Li Hongsen og Li Qiang fra Qingdao University i fællesskab et forskningspapir om Nature Materials under titlen "Ekstra lagerkapacitet i overgangsmetaloxid lithium-ion-batterier afsløret af in situ magnetometri". I dette arbejde brugte forfatterne in situ magnetisk overvågning til at demonstrere tilstedeværelsen af ​​stærk overfladekapacitans på metalnanopartikler, og at et stort antal spin-polariserede elektroner kan lagres i allerede reducerede metalnanopartikler, hvilket er i overensstemmelse med den rumlige ladningsmekanisme. Derudover kan den afslørede rumlige ladningsmekanisme udvides til andre overgangsmetalforbindelser, hvilket giver en nøglevejledning til etablering af avancerede energilagringssystemer.

Forskning højdepunkter

(1) En typisk Fe blev undersøgt ved at bruge in-situ magnetisk overvågningsteknik3O4/ Udvikling af den elektroniske struktur inde i Li-batteriet;

(2) afslører, at Fe3O4I / Li-systemet er overfladeladningskapaciteten hovedkilden til den ekstra kapacitet;

(3) Overfladekapacitansmekanismen for metalnanopartikler kan udvides til en bred vifte af overgangsmetalforbindelser.

Tekst og tekstguide

1. Strukturel karakterisering og elektrokemiske egenskaber

Monodisperse hule Fe blev syntetiseret ved konventionelle hydrotermiske metoder3O4Nanospheres og derefter udført ved 100 mAg−1Opladning og afladning ved strømtæthed (Figur 1a), den første udledningskapacitet er 1718 mAh g−1, 1370 mAhg i henholdsvis anden og tredje gang, 1Og 1,364 mAhg−1, Langt over 926 mAhg−1Teorien om forventninger. BF-STEM-billeder af det fuldt afladede produkt (Figur 1b-c) indikerer, at efter lithiumreduktion blev Fe3O4 Nanosfærerne omdannet til mindre Fe nanopartikler, der måler omkring 1 - 3 nm, spredt i Li2O-centret.

For at demonstrere ændringen i magnetisme under den elektrokemiske cyklus blev der opnået en magnetiseringskurve efter fuld afladning til 0.01 V (figur 1d), der viser den superparamagnetiske adfærd på grund af dannelsen af ​​nanopartikler.

Figur 1 (a) ved 100 mAg−1Fe af cyklussen ved strømtætheden 3O4/ Konstant strøm ladning og afladningskurve for Li-batteri; (b) fuldt lithium Fe3O4BF-STEM billedet af elektroden; (c) tilstedeværelsen af ​​Li i de aggregate2Højopløselige BF-STEM-billeder af både O og Fe; (d) Fe3O4 Hysteresekurverne for elektroden før (sort) og efter (blå), og den Langevin-tilpassede kurve for sidstnævnte (lilla).

2. Realtidsdetektering af strukturel og magnetisk evolution

For at kombinere elektrokemien med Fe3O4Of strukturelle og magnetiske ændringer forbundet med Fe3O4, blev elektroderne udsat for in situ røntgendiffraktion (XRD) og in situ magnetisk overvågning. Fe i en række XRD-diffraktionsmønstre under den indledende afladning fra åben kredsløbsspænding (OCV) til 1.2V3O4Diffraktionstoppene ændrede sig ikke væsentligt i hverken intensitet eller position (Figur 2a), hvilket indikerer, at Fe3O4Only oplevede Li-interkalationsprocessen. Når den oplades til 3V, forbliver Fe3O4The anti-spinel strukturen intakt, hvilket tyder på, at processen i dette spændingsvindue er meget reversibel. Yderligere in-situ magnetisk overvågning kombineret med konstant strøm ladning-afladningstest blev udført for at undersøge, hvordan magnetisering udvikler sig i realtid (figur 2b).

Figur 2 Karakterisering af in-situ XRD og magnetisk overvågning.(A) in situ XRD; (b) Fe3O4 Elektrokemisk ladning-afladningskurve under 3 T påført magnetfelt og tilsvarende reversibel in situ magnetisk respons.

For at få en mere grundlæggende forståelse af denne konverteringsproces med hensyn til magnetiseringsændringer, indsamles den magnetiske respons i realtid og den tilsvarende faseovergang, der ledsager elektrokemisk drevne reaktioner (figur 3). Det er helt klart, at under den første udladning, Fe3O4. Elektrodernes magnetiseringsreaktion adskiller sig fra de andre cyklusser på grund af Fe under den første lithalisering3O4På grund af den irreversible faseovergang sker. Da potentialet faldt til 0.78V, blev Fe3O4The antispinelfasen omdannet til at indeholde Li2The klasse FeO halitstruktur af O, Fe3O4Fasen kan ikke genoprettes efter opladning. Tilsvarende falder magnetiseringen hurtigt til 0.482 μ b Fe−1. Efterhånden som lithialiseringen skrider frem, blev der ikke dannet nogen ny fase, og intensiteten af ​​(200) og (220) klasse FeO diffraktionstoppe begyndte at svækkes. Ens Fe3O4Der er ingen signifikant XRD top tilbage, når elektroden er fuldstændig liialiseret (figur 3a). Bemærk, at når Fe3O4-elektroden aflades fra 0.78V til 0.45V, blev magnetiseringen (fra 0.482 μ b Fe−1 Øget til 1.266 μ bFe−1), dette tilskrevet omdannelsesreaktionen fra FeO til Fe. Derefter, i slutningen af ​​udladningen, blev magnetiseringen langsomt reduceret til 1.132 μ B Fe−1. Dette fund tyder på, at de fuldt reducerede metal Fe0Nanopartikler stadig kan deltage i lithiumlagringsreaktionen og dermed reducere magnetiseringen af ​​elektroderne.

Figur 3 In situ observationer af faseovergangen og den magnetiske respons.（a）Fe3O4In situ XRD-kort indsamlet under den første udladning af elektroden; (b) Fe3O4 In situ magnetisk kraftmåling af elektrokemiske cyklusser af / Li-celler ved et påført magnetfelt på 3 T.

3. Fe0/Li2Surface kapacitans af O-systemet

Fe3O4De magnetiske ændringer af elektroderne sker ved lave spændinger, hvorved der højst sandsynligt genereres en yderligere elektrokemisk kapacitet, hvilket tyder på tilstedeværelsen af ​​uopdagede ladningsbærere i cellen. For at udforske den potentielle lithiumlagringsmekanisme blev Fe undersøgt ved hjælp af XPS, STEM og magnetisk ydeevnespektrum3O4 Elektroder af magnetiseringstoppe ved 0.01V, 0.45V og 1.4V for at bestemme kilden til den magnetiske ændring. Resultaterne viser, at det magnetiske moment er en nøglefaktor, der påvirker den magnetiske ændring, fordi de målte Fe0/Li2The Ms i O-systemet ikke påvirkes af den magnetiske anisotropi og interpartikelkoblingen.

For yderligere at forstå Fe3O4 Elektrodernes kinetiske egenskaber ved lav spænding, cyklisk voltammetri ved forskellige scanningshastigheder. Som vist i figur 4a vises den rektangulære cykliske voltammogramkurve inden for spændingsområdet mellem 0.01V og 1V (figur 4a). Figur 4b viser, at det kapacitive Fe3O4A-respons fandt sted på elektroden. Med den meget reversible magnetiske reaktion af den konstante strømladnings- og afladningsproces (figur 4c), faldt elektrodens magnetisering fra 1V til 0.01V under afladningsprocessen og steg igen under opladningsprocessen, hvilket indikerer, at Fe0Of kondensator-lignende overfladereaktion er meget reversibel.

Figur 4 elektrokemiske egenskaber og in situ magnetisk karakterisering ved 0.011 V.(A) Den cykliske voltammetriske kurve.(B) b-værdien bestemmes ved hjælp af korrelationen mellem spidsstrømmen og scanningshastigheden; (c) den reversible ændring af magnetiseringen i forhold til ladning-afladningskurven under et 5 T påført magnetfelt.

ovennævnte Fe3O4De elektrokemiske, strukturelle og magnetiske egenskaber ved elektroderne indikerer, at den ekstra batterikapacitet er bestemt af Fe0. Nanopartiklernes spin-polariserede overfladekapacitans er forårsaget af de medfølgende magnetiske ændringer. Den spin-polariserede kapacitans er resultatet af spin-polariseret ladningsakkumulering ved grænsefladen og kan vise en magnetisk respons under opladning og afladning. til Fe3O4Baseelektroden, under den første udladningsproces, blev spredt i Li2Fine Fe nanopartikler i O-substratet har store overflade-til-volumen-forhold og realisere en høj tæthed af tilstande på Fermi-niveauet på grund af de stærkt lokaliserede d-orbitaler. Ifølge Maiers teoretiske model for rumlig ladningslagring foreslår forfatterne, at store mængder elektroner kan lagres i spin-splittende bånd af metalliske Fe nanopartikler, som kan findes i Fe/Li2Creating spin-polariserede overfladekondensatorer i O nanokompositterne ( Figur 5).

graf 5Fe/Li2A Skematisk fremstilling af overfladekapacitansen af ​​de spin-polariserede elektroner ved O-grænsefladen.(A) det skematiske diagram over spin-polarisationstilstandstætheden af ​​overfladen af ​​ferromagnetiske metalpartikler (før og efter afladning), i modsætning til bulk spin polarisering af jern; (b) dannelsen af ​​rumladningsområdet i overfladekondensatormodellen af ​​overlagret lithium.

Resumé og Outlook

TM / Li blev undersøgt ved avanceret in-situ magnetisk overvågning.2 Udviklingen af ​​den interne elektroniske struktur af O nanokompositten for at afsløre kilden til yderligere lagerkapacitet for dette lithium-ion batteri. Resultaterne viser, at både i Fe3O4/Li-modelcellesystemet kan elektrokemisk reducerede Fe-nanopartikler lagre store mængder spin-polariserede elektroner, hvilket resulterer på grund af overdreven cellekapacitet og væsentligt ændret grænseflademagnetisme. Eksperimenter validerede yderligere CoO, NiO og FeF2And Fe2. Tilstedeværelsen af ​​en sådan kapacitans i N-elektrodemateriale indikerer eksistensen af ​​spin-polariseret overfladekapacitans af metalnanopartikler i lithium-ion-batterier og lægger grundlaget for anvendelsen af ​​denne rumlige ladningslagringsmekanisme i andre overgange metalforbindelse-baserede elektrodematerialer.

Litteratur link

Ekstra lagerkapacitet i overgangsmetaloxid lithium-ion-batterier afsløret af in situ magnetometri (Nature Materials , 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

Indflydelsen af ​​formlen for design af lithiumelektrodewafer og elektrodewaferdefekter på ydeevnen

1. Pole film design foundation artikel

Lithium batterielektroden er en belægning bestående af partikler, jævnt påført på metalvæsken. Lithium-ion batterielektrodebelægning kan betragtes som et kompositmateriale, hovedsageligt sammensat af tre dele:

(1) partikler af aktivt stof;

(2) den konstituerende fase af det ledende middel og midlet (carbonadhæsiv fase);

(3) Pore, fyld med elektrolytten.

Volumenforholdet for hver fase er udtrykt som:

Porøsitet + volumenfraktion af levende stof + carbonklæbemiddelfasevolumenfraktion =1

Designet af lithium batteri elektrode design er meget vigtigt, og nu introduceres den grundlæggende viden om lithium batteri elektrode design kort.

(1) Elektrodematerialets teoretiske kapacitet Elektrodematerialets teoretiske kapacitet, det vil sige den kapacitet, der tilvejebringes af alle lithiumioner i materialet, der er involveret i den elektrokemiske reaktion, dets værdi beregnes ved følgende ligning:

For eksempel er LiFePO4The molær masse 157.756 g/mol, og dens teoretiske kapacitet er:

Denne beregnede værdi er kun den teoretiske gramkapacitet. For at sikre materialets reversible struktur er den faktiske lithiumionfjernelseskoefficient mindre end 1, og materialets faktiske gramkapacitet er:

Faktisk gram kapacitet af materiale = teoretisk kapacitet af lithium ion frakoblingskoefficient

(2) Batteridesignkapacitet og ekstrem ensidig tæthed Batteridesignkapacitet kan beregnes ved følgende formel: batteridesignkapacitet = belægningsoverfladedensitet aktivt materialeforhold aktivt materiale gram kapacitet polpladebelægningsareal

Blandt dem er overfladedensiteten af ​​belægningen en nøgledesignparameter. Når komprimeringstætheden er uændret, betyder stigningen i belægningsoverfladedensiteten, at polpladetykkelsen øges, elektrontransmissionsafstanden øges, og elektronmodstanden øges, men stigningsgraden er begrænset. I den tykke elektrodeplade er stigningen i migrationsimpedansen af ​​lithiumioner i elektrolytten hovedårsagen til at påvirke forholdskarakteristika. I betragtning af porøsiteten og porevridningen er migrationsafstanden af ​​ioner i poren mange gange større end tykkelsen af ​​polarket.

(3) Forholdet mellem negativ-positiv kapacitetsforhold N/P negativ kapacitet og positiv kapacitet er defineret som:

N / P bør være større end 1.0, generelt 1.04 ~ 1.20, som hovedsageligt er i sikkerhedsdesignet, for at forhindre den negative side af lithiumion i at udfælde uden acceptkilde, design for at overveje proceskapaciteten, såsom belægningsafvigelse. Men når N/P er for stor, vil batteriet miste irreversibel kapacitet, hvilket resulterer i lav batterikapacitet og lavere batterienergitæthed.

For lithiumtitanatanoden er det positive elektrodeoverskudsdesign vedtaget, og batterikapaciteten bestemmes af lithiumtitanatanodens kapacitet. Det positive overskydende design er befordrende for at forbedre højtemperaturydelsen af ​​batteriet: højtemperaturgassen kommer hovedsageligt fra den negative elektrode. I det positive overskydende design er det negative potentiale lavt, og det er lettere at danne SEI-film på overfladen af ​​lithiumtitanat.

(4) Belægningens komprimeringstæthed og porøsitet I produktionsprocessen beregnes belægningskomprimeringsdensiteten af ​​batterielektroden ved hjælp af følgende formel. I betragtning af, at når stangpladen rulles, forlænges metalfolien, beregnes overfladedensiteten af ​​belægningen efter valsen ved hjælp af følgende formel.

Som tidligere nævnt består belægningen af ​​levende materialefase, kulstofklæbefase og pore, og porøsiteten kan beregnes ved følgende ligning.

Blandt dem er den gennemsnitlige tæthed af belægning: lithiumbatterielektrode er en slags pulverpartikler af belægning, fordi pulverpartikeloverfladen ru, uregelmæssig form, når akkumulering, partikler mellem partikler og partikler, og nogle partikler selv har revner og porer, så pulvervolumen inklusive pulvervolumen, porerne mellem pulverpartiklerne og partiklerne, derfor den tilsvarende variation af elektrodebelægningsdensitet og porøsitetsrepræsentation. Pulverpartiklernes massefylde refererer til massen af ​​pulveret pr. volumenenhed. I henhold til pulverets volumen er det opdelt i tre slags: ægte densitet, partikeldensitet og akkumuleringstæthed. De forskellige tætheder er defineret som følger:

1. Sand massefylde refererer til densiteten opnået ved at dividere pulvermassen med volumenet (reelt volumen) eksklusive de indre og ydre mellemrum af partiklerne. Det vil sige tætheden af ​​selve stoffet opnået efter at have ekskluderet volumenet af alle hulrummene.
2. Partikeldensitet refererer til densiteten af ​​partikler opnået ved at dividere pulvermassen divideret med partikelvolumenet inklusive det åbne hul og det lukkede hul. Det vil sige mellemrummet mellem partiklerne, men ikke de fine porer inde i partiklerne, selve densiteten af ​​partiklerne.
3. Akkumuleringsdensitet, det vil sige belægningsdensitet, refererer til densiteten opnået af pulvermassen divideret med volumenet af belægningen dannet af pulveret. Det anvendte volumen inkluderer porerne i selve partiklerne og hulrummene mellem partiklerne.

For det samme pulver, ægte densitet> partikeldensitet> pakningsdensitet. Pulverets porøsitet er forholdet mellem porerne i pulverpartikelbelægningen, det vil sige forholdet mellem rumfanget af hulrummet mellem pulverpartiklerne og partiklernes porer og belægningens samlede volumen, som almindeligvis udtrykkes som en procentdel. Pulverets porøsitet er en omfattende egenskab relateret til partikelmorfologi, overfladetilstand, partikelstørrelse og partikelstørrelsesfordeling. Dens porøsitet påvirker direkte infiltrationen af ​​elektrolyt- og lithiumiontransmission. Generelt gælder det, at jo større porøsiteten er, jo lettere er elektrolytinfiltrationen, og jo hurtigere er lithiumion-transmissionen. Derfor, i design af lithium batteri, nogle gange for at bestemme porøsiteten, almindeligt anvendte kviksølvtrykmetode, gasadsorptionsmetode osv. Kan også opnås ved at bruge tæthedsberegningen. Porøsiteten kan også have forskellige implikationer, når der anvendes forskellige tætheder til beregningerne. Når tætheden af ​​porøsiteten af ​​det levende stof, det ledende middel og bindemidlet beregnes ved den sande densitet, inkluderer den beregnede porøsitet mellemrummet mellem partiklerne og mellemrummet inde i partiklerne. Når porøsiteten af ​​det levende stof, ledende middel og bindemiddel beregnes ved partikeltætheden, inkluderer den beregnede porøsitet spalten mellem partiklerne, men ikke spalten inde i partiklerne. Derfor er porestørrelsen på lithiumbatteriets elektrodeplade også multi-skala, generelt er afstanden mellem partiklerne i mikron skalastørrelsen, mens mellemrummet inde i partiklerne er i nanometer til sub-submikron skala. I porøse elektroder kan forholdet mellem transportegenskaber såsom effektiv diffusivitet og ledningsevne udtrykkes ved følgende ligning:

Hvor D0 repræsenterer selve materialets iboende diffusions(lednings)hastighed, er ε volumenfraktionen af ​​den tilsvarende fase, og τ er den kredsløbske krumning af den tilsvarende fase. I den makroskopiske homogene model bruges Bruggeman-relationen generelt, idet man tager koefficienten ɑ = 1.5 for at estimere den effektive positivitet af de porøse elektroder.

Elektrolytten fyldes i porerne på de porøse elektroder, hvori lithiumionerne ledes gennem elektrolytten, og lithiumionernes ledningskarakteristika er tæt forbundet med porøsiteten. Jo større porøsitet, jo højere volumenfraktion af elektrolytfasen, og jo større er den effektive ledningsevne af lithium-ioner. I det positive elektrodeark transmitteres elektroner gennem carbonadhæsivfasen, volumenfraktionen af ​​carbonadhæsivfasen og omvejen af ​​carbonadhæsivfasen bestemmer direkte elektronernes effektive ledningsevne.

Porøsiteten og volumenfraktionen af ​​carbonadhæsivfasen er modstridende, og den store porøsitet fører uundgåeligt til volumenfraktionen af ​​carbonadhæsivfasen, derfor er de effektive ledningsegenskaber af lithiumioner og elektroner også modstridende, som vist i figur 2 Efterhånden som porøsiteten falder, falder den effektive lithium-ion-ledningsevne, mens den elektron-effektive ledningsevne øges. Hvordan man balancerer de to er også kritisk i elektrodedesignet.

Figur 2 Skematisk diagram af porøsitet og lithiumion- og elektronledningsevne

2. Type og påvisning af polfejl

 

På nuværende tidspunkt, i processen med klargøring af batteripoler, bliver flere og flere online-detektionsteknologier vedtaget for effektivt at identificere fabrikationsfejl af produkter, eliminere defekte produkter og rettidig feedback til produktionslinjen, automatiske eller manuelle justeringer af produktionen proces for at reducere den defekte rate.

De online-detektionsteknologier, der almindeligvis anvendes til fremstilling af polplader, inkluderer detektion af gyllekarakteristik, detektion af polpladekvalitet, dimensionsdetektion og så videre, For eksempel: (1) online-viskositetsmåleren er direkte installeret i belægningslagertanken for at detektere det reologiske gyllens egenskaber i realtid, Test gyllens stabilitet; (2) Brug af røntgen eller β-stråle i belægningsprocessen, dens høje målenøjagtighed, men stor stråling, høj pris på udstyr og vedligeholdelsesproblemer; (3) Laser online tykkelsesmålingsteknologi anvendes til at måle tykkelsen af ​​polarket, målenøjagtigheden kan nå ± 1 μm, den kan også vise ændringstrenden af ​​målt tykkelse og tykkelse i realtid, lette datasporbarhed og analyse; (0) CCD vision teknologi, Det vil sige, at line array CCD bruges til at scanne det målte objekt, Real-time billedbehandling og analyse af defekt kategorier, Realiser den ikke-destruktive online detektion af polpladens overfladedefekter.

Som et værktøj til kvalitetskontrol er online testteknologi også afgørende for at forstå sammenhængen mellem defekter og batteriydelse, for at bestemme de kvalificerede/ukvalificerede kriterier for halvfabrikata.

I den sidste del introduceres kort den nye metode til overfladedefektdetektionsteknologi af lithium-ion batteri, infrarød termisk billedteknologi og forholdet mellem disse forskellige defekter og elektrokemisk ydeevne. konsulter D. Mohanty En grundig undersøgelse af Mohanty et al.

(1) Almindelige defekter på polpladens overflade

Figur 3 viser de almindelige defekter på overfladen af ​​lithium-ion-batterielektroden, med det optiske billede til venstre og billedet taget af termokameraet til højre.

Figur 3 Almindelige defekter på overfladen af ​​stangpladen: (a, b) bulekonvolut/tilslag; (c, d) dråbe materiale / nålehul; (e, f) metalfremmedlegeme; (g, h) ujævn belægning

 

(A, b) hævet bule/tilslag, sådanne defekter kan opstå, hvis gyllen er jævnt omrørt, eller belægningshastigheden er ustabil. Sammensætningen af ​​klæbende og carbon black ledende midler fører til lavt indhold af aktive ingredienser og lav vægt af polære tabletter.

 

(c, d) dråbe / nålehul, disse defekte områder er ikke belagte og produceres normalt af bobler i gyllen. De reducerer mængden af ​​aktivt materiale og udsætter opsamleren for elektrolytten, hvilket reducerer den elektrokemiske kapacitet.

 

(E, f) metalfremmedlegemer, gylle eller metalfremmedlegemer introduceret i udstyret og miljøet, og metalfremmedlegemer kan forårsage stor skade på lithiumbatterier. Store metalpartikler påvirker membranen direkte, hvilket resulterer i en kortslutning mellem de positive og negative elektroder, hvilket er en fysisk kortslutning. Derudover, når metalfremmedlegemet blandes ind i den positive elektrode, stiger det positive potentiale efter opladning, metallet løses, spredes gennem elektrolytten og derefter udfældes på den negative overflade og til sidst punktere membranen, hvilket danner en kortslutning, som er en kemisk opløsningskortslutning. De mest almindelige metalfremmedlegemer på batterifabrikken er Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS osv.

 

(g, h) ujævn belægning, såsom gylleblandingen er ikke tilstrækkelig, partikelfinheden er let at se striber, når partiklen er stor, hvilket resulterer i ujævn belægning, hvilket vil påvirke konsistensen af ​​batterikapaciteten og endda fremstå fuldstændigt ingen belægningsstribe, har indflydelse på kapaciteten og sikkerheden.

(2) Teknologi til detektering af pole chip overfladedefekter Infrarød (IR) termisk billedteknologi bruges til at detektere mindre defekter på tørre elektroder, der kan beskadige ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier. Under onlinedetektionen, hvis elektrodefejlen eller forurening opdages, skal du markere det på polarket, fjerne det i den efterfølgende proces og sende det tilbage til produktionslinjen og justere processen i tide for at eliminere defekterne. Infrarød stråle er en slags elektromagnetisk bølge, der har samme natur som radiobølger og synligt lys. En speciel elektronisk enhed bruges til at konvertere temperaturfordelingen af ​​overfladen af ​​et objekt til et synligt billede af det menneskelige øje, og til at vise temperaturfordelingen af ​​overfladen af ​​et objekt i forskellige farver kaldes infrarød termisk billedteknologi. Denne elektroniske enhed kaldes infrarød termisk billedkamera. Alle objekter over det absolutte nulpunkt (-273 ℃) udsender infrarød stråling.
Som vist i figur 4 bruger den infrarøde termiske approksimator (IR-kamera) den infrarøde detektor og det optiske billedobjektiv til at acceptere det målte målobjekts infrarøde strålingsenergifordelingsmønster og reflektere det på det fotofølsomme element i den infrarøde detektor for at opnå infrarødt termisk billede, som svarer til det termiske fordelingsfelt på objektets overflade. Når der er en defekt på overfladen af ​​et objekt, skifter temperaturen i området. Derfor kan denne teknologi også bruges til at detektere defekterne på overfladen af ​​objektet, især velegnet til nogle defekter, der ikke kan skelnes med optiske detektionsmidler. Når tørreelektroden på lithium-ion-batteriet detekteres online, bestråles elektrodeelektroden først af flashen, overfladetemperaturen ændres, og derefter detekteres overfladetemperaturen med et termisk kamera. Varmefordelingsbilledet visualiseres, og billedet behandles og analyseres i realtid for at opdage overfladefejlene og markere dem i tide.D. Mohanty Undersøgelsen installerede et termisk billedkamera ved udgangen af ​​coater-tørreovnen for at detektere temperaturfordelingsbilledet af elektrodepladens overflade.

Figur 5 (a) er et temperaturfordelingskort over belægningsoverfladen af ​​NMC-positiv polarket, som er detekteret af termokameraet, som indeholder en meget lille defekt, som ikke kan skelnes med det blotte øje. Temperaturfordelingskurven svarende til rutesegmentet er vist i den interne indsættelse med en temperaturspids ved defektpunktet. I figur 5 (b) stiger temperaturen lokalt i den tilsvarende boks, svarende til defekten på polpladens overflade. FIG. 6 er et overfladetemperaturfordelingsdiagram af den negative elektrodeplade, der viser eksistensen af ​​defekter, hvor toppen af ​​temperaturstigninger svarer til boblen eller aggregatet, og området med temperaturfald svarer til nålehullet eller dråben.

Figur 5 Temperaturfordeling af den positive elektrodepladeoverflade

Figur 6 Temperaturfordeling af negativ elektrodeoverflade

 

Det kan ses, at den termiske billeddannelsesdetektering af temperaturfordeling er et godt middel til detektering af polpladeoverfladedefekter, som kan bruges til kvalitetskontrol af polpladefremstilling.3. Effekt af defekter på polpladens overflade på batteriets ydeevne

 

(1) Indvirkning på batterimultiplikatorkapacitet og Coulomb-effektivitet

Figur 7 viser indflydelseskurven for aggregatet og nålehullet på batterimultiplikatorkapaciteten og coulens effektivitet. Tilslaget kan faktisk forbedre batterikapaciteten, men reducere coulens effektivitet. Nålehullet reducerer batterikapaciteten og Kulun-effektiviteten, og Kulun-effektiviteten falder meget med høj hastighed.

Figur 7 katodeaggregat og pinhole effekt på batterikapaciteten og effektiviteten af ​​figur 8 er ujævn belægning, og metalfremmedlegeme Co og Al på batterikapaciteten og virkningen af ​​effektivitetskurven, ujævn belægning reducerer batterienhedens massekapacitet 10% - 20%, men hele batterikapaciteten faldt med 60%, dette viser, at den levende masse i polarstykket reduceret betydeligt. Metal Co fremmedlegeme reduceret kapacitet og Coulomb effektivitet, selv i 2C og 5C høj forstørrelse, ingen kapacitet overhovedet, hvilket kan skyldes dannelsen af ​​metal Co i den elektrokemiske reaktion af lithium og lithium indlejret, eller det kan være metalpartiklerne blokeret membranporen forårsaget mikro kortslutning.

Figur 8 Effekter af positiv elektrode ujævn belægning og metalfremmedlegemer Co og Al på batterimultiplikatorkapacitet og coulens effektivitet

Sammenfatning af katodepladedefekter: Aterne i katodepladebelægningen reducerer batteriets Coulomb-effektivitet. Nålehullet i den positive belægning reducerer Coulomb-effektiviteten, hvilket resulterer i dårlig multiplikatorydelse, især ved høj strømtæthed. Den heterogene belægning viste dårlig forstørrelsesydelse. Metalpartikelforurenende stoffer kan forårsage mikrokortslutninger og kan derfor i høj grad reducere batterikapaciteten.
Figur 9 viser virkningen af ​​den negative lækagefoliestrimmel på batteriets multiplikatorkapacitet og Kulun-effektivitet. Når lækagen opstår ved den negative elektrode, reduceres batteriets kapacitet betydeligt, men gramkapaciteten er ikke indlysende, og indvirkningen på Kulun-effektiviteten er ikke signifikant.

 

Figur 9 Indflydelse af negativ elektrodelækagefoliestrimmel på batterimultiplikatorkapacitet og Kulun-effektivitet (2) Indflydelse på batterimultiplikatorcyklusydelse Figur 10 er resultatet af indflydelsen af ​​elektrodeoverfladedefekten på batterimultiplikatorcyklus. Påvirkningsresultaterne er opsummeret som følger:
Egregation: ved 2C er kapacitetsvedligeholdelsesraten på 200 cyklusser 70%, og det defekte batteri er 12%, mens i 5C-cyklus er kapacitetsvedligeholdelsesraten på 200 cyklusser 50%, og det defekte batteri er 14%.
Nålehul: Kapacitetsdæmpningen er indlysende, men ingen samlet defektdæmpning er hurtig, og kapacitetsvedligeholdelsesraten på 200 cyklusser 2C og 5C er henholdsvis 47% og 40%.
Metal fremmedlegeme: kapaciteten af ​​metal Co fremmedlegeme er næsten 0 efter flere cyklusser, og 5C cyklus kapaciteten af ​​metal fremmedlegeme Al folie falder betydeligt.
Lækagestrimmel: For det samme lækageområde falder batterikapaciteten af ​​flere mindre striber hurtigere end en større stribe (47 % for 200 cyklusser i 5C) (7 % for 200 cyklusser i 5C). Dette indikerer, at jo større antal striber, desto større indvirkning på battericyklussen.

Figur 10 Effekt af elektrodepladeoverfladedefekter på cellehastighedscyklus

 

Ref.: [1] Ikke-destruktiv evaluering af sekundære lithium-batterielektroder med slids-matrice ved hjælp af in-line laserkalibrering og IR-termografimetoder [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]Effekt af elektrodefabrikationsfejl på lithium-ion-batteriers elektrokemiske ydeevne: Erkendelse af batterifejlkilderne[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.