Dendriittisen litiumin muodostumismekanismi ja estäminen

Muoto:

Yksinkertaisesti sanottuna dendriittinen litium tarkoittaa, että grafiittiin upotetun litiumin pitoisuus ylittää sen toleranssin, ja ylimääräinen litiumioni yhdistyy negatiivisesta elektrodista suljettujen elektronien kanssa ja alkaa kerrostua negatiivisen elektrodin pinnalle. Akun lataamisen aikana ulkopuoli antaa jännitteen ulkopuolelle, jotta positiivisen elektrodimateriaalin sisällä olevat litiumionit voidaan uuttaa elektrolyyttiväliaineeseen. Samoin elektrolyytin litiumionit siirtyvät hiilikerrokseen ulkoisen jännite-eron olosuhteissa. Grafiitilla on kerrostettu kanava, ja litium tulee kanavaan muodostaen hiili-litiumyhdisteen hiilen kanssa muodostaen grafiitti-interkalaatioyhdisteen, kuten LiCx (x=1-6). Litiumpariston negatiivisen elektrodin sähkökemiallinen reaktio voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla:

Tässä kaavassa on parametri, joka on, jos molemmat summataan, dendriittistä litiumia tuotetaan. Tässä on kaikille tuttu käsite, grafiitti-interkalaatioyhdiste. Grafiitin väliset kerrosten väliset yhdisteet (lyhyesti GIC: t) ovat kiteisiä yhdisteitä, jotka käyttävät fysikaalisia tai kemiallisia menetelmiä hiilettömien reaktanttien lisäämiseksi grafiittikerrosten väliin ja yhdistyvät kuusikulmaisen hiilen verkkotason kanssa säilyttäen kerrostetun grafiittirakenteen.

Ominaisuudet:

Dendriittilitium kertyy yleensä erottimen ja negatiivisen elektrodin väliseen kosketusasentoon. Opiskelijoiden, joilla on kokemusta paristojen purkamisesta, tulisi usein löytää erottimesta kerros harmaata materiaalia. Kyllä, se on litiumsaostus. Dendriittilitium on litiummetalli, joka muodostuu sen jälkeen, kun litiumionit vastaanottavat elektroneja, eikä litiummetalli voi enää muodostaa litiumioneja osallistumaan akun lataus- ja purkausreaktioihin, mikä johtaa akun kapasiteetin heikkenemiseen. Dendriittilitium kasvaa negatiivisen elektrodin pinnasta kohti erotinta. Jos litiummetallia kerrostuu jatkuvasti, se lopulta lävistää erottimen ja aiheuttaa oikosulun akussa aiheuttaen pariston turvallisuusongelmia.

Vaikuttavat tekijät:

Tärkeimmät tekijät, jotka vaikuttavat dendriittisen litiumin muodostumiseen, ovat: negatiivisen elektrodin pinnan karheus, litiumionipitoisuuden gradientti, virrantiheys jne. Lisäksi SEI-kalvo, elektrolyytin tyyppi, liuenneen aineen pitoisuus ja tehollinen etäisyys positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä kaikki vaikuttavat dendriittiin. Litiumin muodostumisella on tietty vaikutus.

1. Negatiivisen elektrodin pinnan karheus

Negatiivisen elektrodin pinnan karheus vaikuttaa dendriittisen litiumin muodostumiseen. Mitä karkeampi pinta on, sitä parempi on dendriittisen litiumin muodostumiselle. Dendriittisen litiumin muodostuminen sisältää sähkökemian, kristallografian, termodynamiikan ja kinetiikan. David R. Ely Artikkelissa on yksityiskohtainen kuvaus.

2. Litiumionipitoisuuden gradientti ja jakauma

Kun litiumionit on uutettu positiivisesta elektrodimateriaalista, ne kulkevat elektrolyytin ja erottimen läpi ja hyväksyvät elektronit negatiivisessa elektrodissa. Latausprosessin aikana positiivisen elektrodin litiumionikonsentraatio kasvaa vähitellen ja negatiivisen elektrodin litiumionipitoisuus pienenee elektronien jatkuvan hyväksynnän vuoksi. Laimennetussa liuoksessa, jolla on suuri virtatiheys, ionipitoisuudesta tulee 0. Tämän perusteella Fleury et ai. Chazalvielilla perustettu malli osoittaa, että kun ionipitoisuus pienenee 0: een, negatiivinen elektrodi muodostaa paikallisen avaruusvarauksen ja muodostaa dendriittisen rakenteen. Dendriittirakenteen kasvunopeus on sama kuin ionien kulkeutumisnopeus elektrolyytissä.

3. Virrantiheys

Artikkelissa Dendrite Growth in Lithium / Polymer Systems, kirjoittaja uskoo, että dendriittisen litiumin kärjen kasvunopeus liittyy läheisesti nykyiseen tiheyteen, kuten seuraava kaava osoittaa:

Jos virrantiheyttä pienennetään, dendriittisen litiumin kasvu voi viivästyä tietyssä määrin, kuten alla olevassa kuvassa näkyy:

Kuinka välttää:

Dendriittisen litiumin muodostumismekanismi on edelleen selvä, mutta litiummetallilla on monia kasvumalleja. Dendriittisen litiumin muodostumisen ja vaikuttavien tekijöiden mukaan dendriittisen litiumin muodostuminen voidaan välttää seuraavista näkökohdista:

1). Säädä negatiivisen elektrodimateriaalin pinnan tasaisuutta.

2). Negatiivisten elektrodihiukkasten koon tulisi olla pienempi kuin kriittinen termodynaaminen säde.

3). Säädä sähkösaostumien kostuvuutta.

4). Rajoita pinnoituspotentiaali kriittisen arvon alapuolelle. Lisäksi perinteistä lataus- ja purkausmekanismia voidaan parantaa. Esimerkiksi pulssimenetelmää voidaan harkita.

5). Lisää elektrolyyttilisäaineita, jotka stabiloivat negatiivisen elektrodi-elektrolyytti-rajapinnan

6). Korvaa nestemäinen elektrolyytti vahvalla geelillä / kiinteällä elektrolyytillä

7). Muodosta korkean lujuuden omaava litiumanodipinnan suojakerros

Jätä lopuksi kaksi kysymystä artikkelin loppuun kaikkien keskusteltavaksi:

1). Missä litiumionin sähkökemiallinen reaktio tapahtuu? Yksi on kiinteän faasin massansiirto sen jälkeen kun litiumionien sähkökemiallinen reaktio grafiitin pinnalla saavuttaa kylläisyyden. Toinen on se, että litiumionit kulkeutuvat grafiittikerroksiin grafiittikiteiden raerajojen läpi ja reagoivat grafiitin sisällä.

2). Tapahtuvatko litiumionien ja grafiitin väliset reaktiot hiili-litiumyhdisteitä ja dendriittinen litium samanaikaisesti vai peräkkäin?