Keraamisen pinnoitteen levittäminen litiumakkuun

Litium-ioniakkuilla on erinomaisia ​​etuja, kuten korkea jännite, suuri kapasiteetti, pieni koko, kevyt paino, ympäristönsuojelu ja pitkä käyttöikä. Niitä on käytetty laajalti erilaisissa kannettavissa elektroniikkatuotteissa ja sähköajoneuvoissa. Litiumioniakkujen turvallisuudessa on kuitenkin edelleen tiettyjä ongelmia, varsinkin niiden turvallisuusongelmia esimerkiksi korkeassa lämpötilassa, ylikuormituksessa ja oikosulussa, joista on tullut teknisiä ongelmia, jotka on ratkaistava, kun virtatyyppiset litiumioniakut käytetään laajamittaisesti.

Tällä hetkellä monet litiumparistojen valmistajat käyttävät keraamista jauhetta negatiivisten napakappaleiden tai keraamisten erottimien ja muiden GG: hen liittyvien materiaalien päällystämiseen; litiumparistojen turvallisuuden parantamiseksi. Keraamiset jauheet eivät itse asiassa ole GG-keraamisia, keraamisia GG-muotoisia, vaan nanokokoisia alumiinioksidihiukkasia. Nano-alumiinioksidi on yksi erityisistä toiminnallisista nanomateriaaleista, jolla on tärkeä sovellusarvo ja kehitysnäkymät. Sillä on useita erinomaisia ​​ominaisuuksia, kuten korkea lämpöstabiilisuus, kemiallinen stabiilisuus, korroosionkestävyys ja korkea kovuus. Sitä käytetään laajalti keraamisissa materiaaleissa ja biologisissa materiaaleissa. Lääketieteelliset materiaalit, puolijohdemateriaalit, katalysaattorikantajat, pintasuojakerrosmateriaalit ja optiset materiaalit. Juuri niin hyvän lämpöstabiilisuuden vuoksi nano-alumiinioksidia pidetään hyvänä lämmöneristemateriaalina ja sen odotetaan vaikuttavan merkittävästi litiumioniakkujen turvallisuustason parantamiseen.

Tällä hetkellä nano-alumiinioksidia käytetään pääasiassa elektrodien tai kalvojen päällystämiseen kalvon turvallisuuden parantamiseksi ja sisäisen oikosulkunopeuden vähentämiseksi.

1. Keraaminen anodipinnoite

Tällä hetkellä keraaminen jauhe sekoitetaan yleensä CMC: n kanssa ja liuotetaan deionisoituun veteen lieteen muodostamiseksi. Liete päällystetään sitten napakappaleelle, ja napakappaleen tila SEM: n alla kuivauksen jälkeen on esitetty kuvassa 1. Kuvan 1 kuvissa (a) ja (b) on ilmeistä, että keraaminen pinnoite on tasaisesti jakautunut negatiivisen elektrodin pinnalle hiukkasten muodossa. Keraamisen pinnoitteen vaikutus litiumparistojen suorituskykyyn on seuraava:

Kuva 1. Kahden tyyppisten kiertämättömien negatiivisten napakappaleiden SEM

1. Keraamisella pinnoitteella ei ole selvää vaikutusta litiumpariston kapasiteettiin;

2. Keraamisen jauheen lisääminen lisää litiumpariston sisäistä vastusta. Tämä johtuu siitä, että keraamisen päällysteen pääkomponentti on Al2O3, joka ei ole johtavaa. Keramiikan päällystäminen negatiivisen elektrodimateriaalin pinnalle estää elektronien polun negatiiviseen elektrodiin, joten pariston rungon vastus kasvaa;

3. Keraamisen päällystysakun syklin suorituskyky on parempi kuin ilman keraamista päällystettyä akkua. Lisäksi päällystämällä keraaminen jauhe negatiivisen elektrodin pinnalle, lisäämällä negatiivisen elektrodin pinnan passivointivaikutusta ja parantamalla elektronista eristystä, voidaan tehokkaasti estää akun sähköisen suorituskyvyn heikkeneminen korkeissa lämpötiloissa. Akun napakappaleiden SEM-analyysi pyöräilyn jälkeen on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2. Negatiivisen napakappaleen SEM kahden jakson jälkeen

Kuviosta voidaan nähdä, että ei-keraamisesti päällystetyn negatiivisen elektrodin pinta on peitetty hienojen hiukkasten kerroksella, jonka oletetaan olevan yhdiste, joka muodostuu litiumsaostumisesta varaus- ja purkausprosessin aikana, kun taas keraamisesti päällystetty negatiivinen elektrodi on suhteellisen sileä ja keraaminen Tasaisesti jakautunut napakappaleen pinnalle. Voidaan spekuloida, että akun syklin suorituskyky liittyy keraamiseen pinnoitteeseen. Akun jakson aikana negatiivinen SEI-kalvo kasvaa ja paksummaksi. Liian paksu SEI-kalvo kuluttaa paitsi enemmän litiumioneja myös aiheuttaa litiumia latauksen aikana. Ioneja ei voida upottaa hyvin negatiiviseen elektrodiin, mutta ne saostuvat negatiivisen elektrodin pinnalle tai jopa erottimen pinnalle, mikä johtaa kapasiteetin menetykseen jakson aikana. Keraamisen erottimen kerroksen päällystäminen negatiivisen elektrodin pinnalle voi estää tehokkaasti negatiivisen elektrodin SEI-kalvon kasvun, mikä vähentää litiumionien menetystä syklin aikana. Lisäksi elektrolyytti hajoaa edelleen akkukierron aikana, ja keraamisella pinnoitteella on tietty nesteen absorptiokapasiteetti, joka voi parantaa elektrolyytin kapasiteetin retentioastetta pitkän aikavälin lataus- ja purkaussyklien aikana. Siksi keraaminen pinnoite voi parantaa kolmikantasuuntaisen litiumioniakun syklin suorituskykyä.

4. Keraamilla pinnoitettujen paristojen turvallisuus on korkeampi kuin keraamisilla pinnoitteilla toimivien paristojen. Kaksi eri paristoa altistettiin akupunktiokokeille samoissa koeolosuhteissa, ja tulokset on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3. Kahden pariston akupunktiotulokset

Kuvasta 3 voidaan nähdä, että keraamisesti päällystetyn pariston akupunktion huippulämpötila on 123,1 ℃. Testin jälkeen akku on hieman turvonnut ilman savua tai räjähdyksiä; keraamisesti pinnoittamattoman akun huippulämpötila on 410 ℃. Testin aikana akku räjähti ja savui, yläkansi oli rikki ja testi epäonnistui. Yllä olevan ilmiön syy voi liittyä negatiivisen elektrodin pinnalla olevaan keraamiseen pinnoitteeseen. Koska neulan lävistys simuloi oikosulkua akussa, syntyy suuri määrä lämpöä lyhyessä ajassa, ja negatiivisen elektrodin pinnalla oleva keraaminen pinnoite voi viivästyttää lämpöhäviötä neulan lävistysprosessin aikana. Lisätä voimakkaasti, mikä viivästyttää elektrolyytin lämpöhajoamista ja välttää akun räjähdyksen johtuen suuresta kaasumäärästä, joka syntyy lyhyessä ajassa. Siksi keraaminen pinnoite parantaa merkittävästi litiumioniakkujen turvallisuutta.

2. Keraaminen kalvo

Tällä hetkellä tutkijat parantavat pääasiassa paristojen suorituskykyä positiivisten ja negatiivisten materiaalien, erottimien, elektrolyyttien ja akun suunnittelun suhteen. Niistä keraamiset erottimet ovat tehokas tapa parantaa akun suorituskykyä. Keraamiset erottimet voivat paitsi parantaa akun turvallisuutta myös parantaa akkukierron suorituskykyä ja vähentää itsepurkautumisnopeutta. Keraamisille kalvoille on olemassa erilaisia ​​valmistusmenetelmiä, kuten kemiallinen höyrykerros ja pintapäällystys. Keraaminen kalvo voi parantaa litiumioniakkujen kiertoa ja turvallisuutta, mutta sen valmisteluprosessia on vaikea hallita, ja kalvon keramiikka on taipuvainen putoamaan myös jakson aikana.

1. Morfologiset erot

Markkinoilla yleisesti käytetyt kalvot on valmistettu PP: stä, PE: stä tai kahdesta eri komposiittikäsittelystä. Vaikka näillä mikrohuokoisilla polyolefiinierottimilla on erinomainen mekaaninen lujuus ja kemiallinen stabiilisuus, näillä erottimilla on sisäinen jännitys valmistusprosessin aikana ja jännitys vapautuu korkean lämpötilan ympäristössä, ja erottimella on ilmeinen terminen kutistuminen, mikä tekee positiivisesta ja negatiivisesta elektrodit akun sisällä Materiaalin suora kosketus aiheuttaa sisäisen oikosulun ja turvallisuusvian. Nano-alumiinioksidihiukkasten päällystäminen erottimen pinnalle voi parantaa tehokkaasti litiumparistojen turvallisuutta. Liuotettuaan ja sekoittamalla keraaminen jauhe PVDF: n ja NMP: n kanssa ja dispergoimalla tasaisesti, päällystyskone kytketään päälle peittämään keraaminen jauhe PE-kalvolle. Keraamisen pinnoitteen paksuutta voidaan säätää, ja sitten keraaminen kalvo valmistetaan kuivattamalla 80 ° C: ssa 24 tuntia. Keraamisen kalvon mikro-morfologia on esitetty kuvassa 4.

Kuva 4. PE: n ja keraamisen kalvon mikromorfologia

Kuviosta voidaan nähdä, että päällystetyt nano-A2O3-hiukkaset peittävät kokonaan PE-kalvon pinnan ja hiukkasten välillä on epätasainen suurten tyhjiöiden jakautuminen. Näiden suurten tyhjien tilojen olemassaolo voi helpottaa Li +: n asettamista ja uuttamista. Sillä on hyvät nesteen imeytymis- ja nesteenpidätyskyvyt elektrolyytille, jotta se ei vaikuta litiumakun lataus- ja purkautumistehoon. pinnoite on päällystetty.

2. Lämpökutistumisen aste

Keraaminen pinnoite auttaa parantamaan kalvon korkean lämpötilan kestävyyttä. Laita keraaminen kalvo ja tavallinen kalvo laatikkoon eri lämpötiloissa 2 tunniksi. Kahden kalvotyypin välillä on suuri ero kutistumisessa. Koetulokset on esitetty kuvassa 5.

Kuva 5. Kaksi kalvon kutistumista eri lämpötiloissa

Kalvo kutistuu korkeassa lämpötilassa, koska kalvolla on sisäinen jännitys vetämisen ja venyttämisen vuoksi valmisteluprosessin aikana. Korkeissa lämpötiloissa kalvon sisäisen molekyyliketjun liike aiheuttaa stressin vapautumisen ja kutistuu suurella alueella; mutta keraaminen pinnoitekalvo kutistuu 140: een. Kalvon morfologia itsessään ei ole muuttunut lukuun ottamatta kalvon värin muutosta paistolämpötilassa ℃. Kun kalvon pinnan molemmille puolille päällystetyillä epäorgaanisilla pinnoitteilla on korkea lämmönkestävyys ja lämmöneristyskyky, itse kalvon lämpötila laskee siten, että kalvo on korkeassa lämpötilassa. Alkuperäinen muoto säilyy ympäristössä.

3. Keraaminen kalvo on hyödyllinen akun turvallisuuden parantamiseksi

Kuva 6. Kahden tyyppisillä kalvoilla kootun akun sisäisen vastuksen ja lämpötilan suhde

PE-erotin kutistuu suurella alueella, kun lämpötila on korkeampi kuin sen sulamispiste, niin että pariston sisällä olevat positiiviset ja negatiiviset napakappaleet koskettavat suoraan ja aiheuttavat sisäisen oikosulun. Siksi mitattu akun sisäinen vastus vähenee nopeasti; Kuitenkin päällystetylle erottimelle jopa 150 ° C: ssa. Itse erottimen morfologia ei muutu paistettaessa lämpötilassa ℃, joten pariston sisällä ei ole oikosulkua, mikä saa pariston sisäisen vastuksen kasvamaan. PE-erotin menettää mekaanisen stabiilisuutensa korkeassa lämpötilassa, mikä johtaa suoraan kosketukseen positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä akun sisällä ja aiheuttaa oikosulun. Keraamisella päällysteenerottimella on korkea lämpötilan kestävyys estämään oikosulku akun sisällä ja parantamaan akun turvallisuutta.

4. Keraamisen kalvon vaikutus akun kestoon

Litiumioniakkuerotin ei vain eristää positiivisia ja negatiivisia napakappaleita akun sisällä, mutta sillä on myös oltava hyvä ioninläpäisevyys. Koska erottimen epäorgaaninen pinnoite lisää erottimen paksuutta, mikä voi vaikuttaa ionin johtavuuteen. Mutta kokeilu osoittaa (Kuva 7), että sen vaikutus on heikompi, mutta keraamisella pinnoitteella varustetulla kalvolla on parempi syklin suorituskyky.

Kuva 7. Kahden kalvoparistojen jaksotehon vertailu

PP / PE-erottimet ovat ei-polaarisia, niillä on hydrofobinen pinta ja matala pintaenergia. Polaaristen orgaanisten elektrolyyttien, kuten etyleenikarbonaatin ja propyleenikarbonaatin, kostuttaminen ja ylläpitäminen on vaikeaa, mikä vaikuttaa suoraan akun syklin suorituskykyyn ja käyttöön. Elämä, vaikka epäorgaanisen keramiikan pinta on hydrofiilinen hydroksyyliryhmien läsnäolon vuoksi, sen lisääminen voi parantaa huomattavasti kalvon tai elektrodin kostutusta ja retentio-kykyä elektrolyyttiin ja parantaa huomattavasti akun syklin suorituskykyä. Samanaikaisesti nano-alumiinioksidihiukkasilla on suuri ominaispinta-ala, mikä voi parantaa elektrolyytin kostuvuutta ja nesteen kertymistä napakappaleisiin, ja se myös edistää akun käyttöikää.

Yhteenvetona:

Yhteenvetona voidaan todeta, että keraamisilla pinnoitteilla on tärkeä vaikutus litium-ioniakkujen suorituskykyyn, etenkin litiumparistojen turvallisuustasoon. Elektrodin ja kalvon pinnan keraamisuus voi paitsi vähentää merkittävästi akun sisäistä oikosulkunopeutta ja parantaa turvallisuutta, myös parantaa elektrodin ja kalvon elektrolyytin kostuvuutta, vähentää polarisaatiota ja parantaa akun yleistä suorituskykyä. Siksi keraamisten pinnoitteiden levittäminen on väistämätön trendi litiumioniakkujen kehityksessä tulevaisuudessa.