Notkun keramikhúðar í litíum rafhlöðu

Lithium-ion rafhlöður hafa framúrskarandi kosti eins og háspenna, mikla getu, litla stærð, létta þyngd, umhverfisvernd og langan líftíma. Þeir hafa verið mikið notaðir í ýmsum færanlegum rafrænum vörum og rafknúnum ökutækjum. Hins vegar eru enn ákveðin vandamál í öryggi litíumjónarafhlöður, sérstaklega öryggisvandamál þeirra við aðstæður eins og háan hita, ofhleðslu og skammhlaup, sem eru orðin að tæknilegum vandamálum sem verður að vinna bug á þegar litíumjónarafhlöður eru af krafti er beitt í stórum stíl.

Á þessari stundu nota margir framleiðendur litíumrafhlöðu keramikduft til að húða neikvæða stangarbita eða keramikskiljur og önnur efni sem tengjast" keramikdufti" til að bæta öryggi litíum rafhlöður. Reyndar er keramikduft ekki" keramik" ;, heldur súrefnisagnir í nanóstærð. Nano súrál er eitt af sérstökum hagnýtum nanóefnum með mikilvægt notkunargildi og þróunarmöguleika. Það hefur röð framúrskarandi eiginleika eins og mikinn hitastöðugleika, efnafræðilegan stöðugleika, tæringarþol og mikla hörku. Það er mikið notað í keramik efni og líffræðilegum efnum. Læknisefni, hálfleiðaraefni, hvata burðarefni, yfirborðsvörn lag efni og sjón efni. Það er einmitt vegna svo góðs hitastöðugleika sem nanó-súrál er talið vera gott hitaeinangrunarefni og er búist við að það muni leggja mikið af mörkum til að bæta öryggisafköst litíumjónarafhlöðu.

Sem stendur er nanó-súrál aðallega notað til að húða rafskaut eða þind til að bæta öryggi þindar og draga úr innri skammhlaupshraða.

1. Anode keramikhúðun

Sem stendur er keramikdufti yfirleitt blandað við CMC og leyst upp í afjónað vatni til að mynda slurry. Slurryið er síðan húðað á staurstykkinu og ástand staurstykkisins undir SEM eftir þurrkun er sýnt á mynd 1. Á myndunum (a) og (b) á mynd 1 er augljóst að keramikhúðin er einsleit dreift á yfirborði neikvæðu rafskautsins í formi agna. Áhrif keramikhúðar á afköst litíum rafhlöður eru sem hér segir:

Mynd 1. SEM af tvenns konar óhringlaga neikvæðum stöngum

1. Keramikhúðin hefur engin augljós áhrif á getu litíum rafhlöðunnar;

2. Að bæta við keramikdufti eykur innri viðnám litíum rafhlöðunnar. Þetta er vegna þess að aðalþáttur keramikhúðarinnar er Al2O3, sem er ekki leiðandi. Húðun keramik á yfirborði neikvæða rafskautsins mun hindra leið rafeinda til neikvæða rafskautsins, þannig að líkamsþol rafhlöðunnar mun aukast;

3. Hringrásarafköst keramikhúðunarrafhlöðunnar eru betri en rafhlöðunnar án keramikhúðunar. Að auki, með því að húða keramikduft á yfirborði neikvæðu rafskautsins, með því að auka passívunaráhrif neikvæða rafskautsflatarins og auka rafræna einangrun, er hægt að bæla niður rýrnun rafmagns rafhlöðunnar við geymsluaðstæður við háan hita. SEM greining á rafgeymistykkjum eftir hjólreiðar er sýnd á mynd 2 sem sýnd er.

Mynd 2. SEM neikvæðs pólstykki eftir tvær lotur

Það sést á myndinni að yfirborð neikvæða rafskautsins sem ekki er keramikhúðað er þakið lagi af fínum ögnum, sem talið er að sé efnasamband sem myndast við litíumfellingu meðan á hleðslu- og útskriftarferlinu stendur, en yfirborð keramikhúðað neikvætt rafskaut er tiltölulega slétt og keramik Dreifist jafnt á yfirborði stöngstykkisins. Það má velta því fyrir sér að hringrásarafköst rafhlöðunnar tengist keramikhúðinni. Á hringrás rafhlöðunnar mun neikvæða SEI kvikmyndin vaxa og þykkna. Of þykkur SEI filmur mun ekki aðeins neyta fleiri litíumjóna, heldur valda einnig litíum meðan á hleðslu stendur. Ekki er hægt að fella jónir vel í neikvæðu rafskautinu, heldur falla á yfirborði neikvæðu rafskautsins eða jafnvel á yfirborði skiljunnar, sem leiðir til afkasta á getu meðan á hringrás stendur. Húðun á lagi keramikskilju á yfirborði neikvæðu rafskautsins gæti mögulega hindrað vöxt neikvæðu rafskauts SEI filmunnar og dregið þannig úr tapi litíumjóna meðan á hringrás stendur. Að auki mun raflausnið halda áfram að brotna niður meðan á rafhlöðuhringnum stendur og keramikhúðin hefur ákveðna vökvaupptökugetu, sem getur bætt viðhaldsgetu raflausnarinnar við langtíma hleðslu- og losunarferli. Þess vegna getur keramikhúðin bætt hringrásarafköst þrískipta litíumjónarafhlöðunnar.

4. Öryggi keramikhúðaðra rafhlöða er hærra en rafhlöðu sem eru ekki keramikhúðað. Tvær mismunandi rafhlöður voru gerðar í nálastungumeðferðartilraunir við sömu tilraunaaðstæður og niðurstöðurnar eru sýndar á mynd 3.

Mynd 3. Niðurstöður nálastungumeðferðar tveggja rafgeyma

Það má sjá á mynd 3 að hámarkshiti nálastungumeðferðar keramikhúðuðu rafhlöðunnar er 123,1 ℃. Eftir prófunina er rafhlaðan örlítið bólgin án reyks eða sprengingar; hámarkshitastig rafhlöðu sem ekki er keramikhúðað er 410 ℃. Við prófunina sprakk rafhlaðan og reykti, efri hlífin brotnaði og prófunin mistókst. Ástæðan fyrir ofangreindu fyrirbæri getur tengst keramikhúðinni á yfirborði neikvæðu rafskautsins. Þar sem nálargata líkir eftir skammhlaupi í rafgeyminum verður til mikill hiti á stuttum tíma og keramikhúðin á neikvæða rafskautsyfirborðinu getur seinkað hitatapi meðan á nálarstýringunni stendur. Auka verulega og þar með seinka hitauppstreymi raflausnarinnar og forðast sprengingu rafhlöðunnar vegna mikils magns sem myndast á stuttum tíma. Þess vegna bætir keramikhúðin verulega öryggisafköst litíumjónar rafhlöður.

2. Keramik þind

Sem stendur bæta vísindamenn aðallega afköst rafhlöðunnar hvað varðar jákvæð og neikvæð efni, skiljur, raflausnir og rafhlöðuhönnun. Meðal þeirra eru keramikskiljur árangursrík leið til að bæta afköst rafhlöðunnar. Keramik skiljur geta ekki aðeins bætt árangur rafhlöðu, heldur einnig bætt árangur rafhlöðunnar og dregið úr sjálfshleðsluhraða. Það eru ýmsar framleiðsluaðferðir fyrir keramikþind, svo sem efnafræðilega gufuútfelling og yfirborðshúð. Keramik þind getur bætt hringrás og öryggisafköst litíumjónarafhlöður, en erfitt er að stjórna undirbúningsferli þess og keramik á þindinni er einnig hætt við að detta af meðan á hringrás stendur.

1. Formfræðilegur munur

Algengar þindir á markaðnum eru úr PP, PE eða tvenns konar samsettri vinnslu. Þrátt fyrir að þessir örþéttu pólýólefín skiljur hafi framúrskarandi vélrænan styrk og efnafræðilegan stöðugleika, þá hafa þessir skiljur innra álag meðan á undirbúningsferlinu stendur og streitan losnar við háhitaumhverfi og aðskilnaðurinn hefur augljós hitaminnkun, sem gerir jákvæða og neikvæða rafskaut inni í rafhlöðunni Bein snerting efnisins veldur innri skammhlaupi og öryggisbilun verður. Húðun nano súrál agna á yfirborði skiljunnar getur í raun bætt öryggi litíum rafhlöður. Eftir að keramikduftið hefur verið leyst upp og blandað saman við PVDF og NMP og dreift einsleit er kveikt á húðunarvélinni til að húða keramikduftið á PE þindina. Þykkt keramikhúðarinnar er hægt að stjórna og síðan er keramikþindið búið til með þurrkun við 80 ° C í 24 klukkustundir. Örmyndun keramikþindarinnar er sýnd á mynd 4.

Mynd 4. Örmyndun PE og keramik þind

Það sést á myndinni að húðaðar nano-A2O3 agnir þekja yfirborð PE himnunnar að fullu og það er ójöfn dreifing stórra tóma á milli agna. Tilvist þessara stóru tóma getur auðveldað innsetningu og útdrátt Li + og það hefur góða frásog vökva og vökvasöfnun fyrir raflausnina, þannig að það hefur ekki áhrif á hleðslu og losun á litíum rafhlöðunni eftir húðun er húðuð.

2. Stig hita rýrnun

Keramikhúðin er gagnleg til að bæta háhitaþol þindarinnar. Settu keramikþind og venjulega þind í kassa við mismunandi hitastig í 2 klukkustundir. Það er mikill munur á rýrnun milli tveggja gerða þindar. Tilraunaniðurstöðurnar eru sýndar á mynd 5.

Mynd 5. Tvær gráður þindarýrnun við mismunandi hitastig

Þindið dregst saman við háan hita vegna þess að þindin hefur innra álag vegna togkrafts og teygju meðan á undirbúningsferlinu stendur. Í háhitaumhverfi veldur hreyfing innri sameindakeðju þindarins að streitan losnar og dregst saman á stóru svæði; en keramikhúðþind dregst saman við 140 Formgerð þindarinnar sjálfrar hefur ekki breyst nema vegna litabreytingar á þindinni við bökunarástand ℃. Þegar ólífrænu húðunin, sem húðuð er á báðum hliðum þindarflatarins, hefur mikla hitaþol og hitaeinangrun, lækkar hitastig grunnþindarinnar sjálft, svo þindin er við háan hita. Upprunalega formið er áfram í umhverfinu.

3. Keramik þindin er gagnleg til að bæta öryggi rafhlöðunnar

Mynd 6. Tengsl innri viðnáms og hitastigs rafhlöðunnar sem samanstendur af tvenns konar þindum

PE aðskilnaðurinn minnkar á stóru svæði þegar hitastigið er hærra en bræðslumark þess, þannig að jákvæðu og neikvæðu stangarhlutarnir inni í rafhlöðunni hafa beint samband og valda innri skammhlaupi. Þess vegna minnkar innri viðnám rafhlöðunnar sem mælt er hratt; þó fyrir húðaða skiljuna jafnvel við 150 Formgerð aðskilnaðarins sjálfs breytist ekki þegar það er bakað við ℃, þannig að það verður enginn skammhlaup inni í rafhlöðunni, sem gerir innri viðnám rafgeymisins enn að aukast. PE skiljari mun missa vélrænan stöðugleika í umhverfi við háan hita, sem mun leiða til beinnar snertingar milli jákvæðu og neikvæðu rafskautanna innan rafhlöðunnar og valda skammhlaupi. Keramikhúðuð aðskilnaðurinn hefur viðnám við háan hita til að koma í veg fyrir skammhlaup inni í rafhlöðunni og bæta öryggisafköst rafhlöðunnar.

4. Áhrif keramikþindar á líftíma rafhlöðunnar

Litíumjón rafgeymisskiljari einangrar ekki aðeins jákvæðu og neikvæðu pólska stykkin inni í rafhlöðunni heldur þarf einnig að hafa góða jón gegndræpi. Vegna þess að ólífræna húðin á skiljunni mun auka þykkt skiljunnar, sem getur haft áhrif á jónaleiðni. En tilraunin sannar (mynd 7) áhrif hennar eru veikari, en þind með keramikhúðun hefur betri hringrásarafköst.

Mynd 7. Samanburður á afköstum hringrásar tvenns konar þindarafhlöður

PP / PE skiljur eru ekki skautaðir, með vatnsfælin yfirborð og litla orku á yfirborðinu. Það er erfitt að bleyta og viðhalda skautuðum lífrænum raflausnum eins og etýlenkarbónati og própýlenkarbónati, sem hefur bein áhrif á hringrásarafköst og notkun rafhlöðunnar. Líf, á meðan yfirborð ólífræns keramik er vatnssækið vegna nærveru hýdroxýlhópa, getur innleiðing þess bætt væta og varðveisluhæfni þindar eða rafskauts við raflausnina og bætt hringrásarafköst rafhlöðunnar verulega. Á sama tíma hafa nanó-súrál agnir stórt sérstakt yfirborðsflatarmál, sem getur bætt vætanleika og vökvasöfnun raflausnarinnar við staurstykkin og er einnig stuðlað að hringrásartíma rafhlöðunnar.

til að taka saman:

Í stuttu máli hafa keramikhúðun mikilvæg áhrif á afköst litíumjónarafhlöður, sérstaklega öryggisafköst litíumrafhlöður. Keramikvæðing rafskautsins og þindflatarins getur ekki aðeins dregið verulega úr innri skammhlaupshraða rafhlöðunnar og bætt öryggi, heldur einnig bætt rafeindavökvun rafskautsins og þindarinnar, dregið úr skautun og bætt heildarafköst rafhlöðunnar. Þess vegna er beiting keramikhúðar óhjákvæmileg þróun í þróun litíumjónarafhlöðu í framtíðinni.