Aplikace keramického povlaku v lithiové baterii

Lithium-iontové baterie mají vynikající výhody, jako je vysoké napětí, vysoká kapacita, malé rozměry, nízká hmotnost, ochrana životního prostředí a dlouhá životnost. Byly široce používány v různých přenosných elektronických výrobcích a elektrických vozidlech. V bezpečnosti lithium-iontových baterií však stále existují určité problémy, zejména jejich bezpečnostní problémy za podmínek, jako je vysoká teplota, přebíjení a zkrat, které se staly technickými problémy, které je třeba překonat, když jsou lithium-iontové baterie výkonového typu jsou aplikovány ve velkém měřítku.

V současné době používá mnoho výrobců lithiových baterií keramický prášek k potahování záporných pólových nástavců nebo keramických odlučovačů a dalších materiálů souvisejících s&„; ke zlepšení bezpečnosti lithiových baterií. Ve skutečnosti keramický prášek není&"; keramický GG", ale částice oxidu hlinitého o velikosti nano. Nano alumina je jedním ze speciálních funkčních nano materiálů s důležitou aplikační hodnotou a vyhlídkami na vývoj. Má řadu vynikajících vlastností, jako je vysoká tepelná stabilita, chemická stabilita, odolnost proti korozi a vysoká tvrdost. Je široce používán v keramických materiálech a biologických materiálech. Lékařské materiály, polovodičové materiály, nosiče katalyzátorů, materiály povrchové ochranné vrstvy a optické materiály. Právě kvůli takové dobré tepelné stabilitě je nano-oxid hlinitý považován za dobrý tepelně izolační materiál a očekává se, že významně přispěje ke zlepšení bezpečnosti lithium-iontových baterií.

V současné době se nano-oxid hlinitý používá hlavně k potahování elektrod nebo membrán, aby se zlepšila bezpečnost membrány a snížila rychlost vnitřního zkratu.

1. Anodový keramický povlak

V současné době se keramický prášek obecně smísí s CMC a rozpustí se v deionizované vodě za vzniku kaše. Suspenze se poté nanese na pólový nástavec a stav pólového nástavce pod SEM po vysušení je znázorněn na obrázku 1. Na obrázcích (a) a (b) na obrázku 1 je zřejmé, že keramický povlak je rovnoměrně distribuovány na povrchu záporné elektrody ve formě částic. Účinek keramického povlaku na výkon lithiových baterií je následující:

Obrázek 1. SEM dvou druhů necirkulovaných záporných pólových nástavců

1. Keramický povlak nemá žádný zjevný vliv na kapacitu lithiové baterie;

2. Přidáním keramického prášku se zvýší vnitřní odpor lithiové baterie. Je to proto, že hlavní složkou keramického povlaku je Al2O3, který je nevodivý. Potahování keramiky na povrchu materiálu záporné elektrody bude bránit cestě elektronů k záporné elektrodě, takže se zvýší odpor baterie;

3. Výkon cyklu baterie s keramickým povlakem je lepší než u baterie bez keramického povlaku. Navíc potažením keramického prášku na povrchu záporné elektrody, zvýšením pasivačního účinku povrchu záporné elektrody a zlepšením elektronické izolace lze účinně potlačit zhoršení elektrického výkonu baterie za podmínek skladování při vysoké teplotě. Na obrázku 2 je znázorněna SEM analýza pólových nástavců baterie po cyklování.

Obrázek 2. SEM záporného pólového nástavce po dvou cyklech

Z obrázku je patrné, že povrch nekeramiky potažené záporné elektrody je pokryt vrstvou jemných částic, u nichž se předpokládá, že jde o sloučeninu vytvořenou depozicí lithia během procesu nabíjení a vybíjení, zatímco povrch záporná elektroda s keramickým povlakem je relativně hladká a keramická rovnoměrně rozložená na povrchu pólového nástavce. Lze předpokládat, že výkonnost baterie souvisí s keramickým povlakem. Během cyklu baterie negativní SEI film poroste a zesílí. Příliš silný film SEI nejenže spotřebuje více iontů lithia, ale také způsobí lithium během nabíjení. Ionty nemohou být dobře zabudovány do záporné elektrody, ale srážejí se na povrchu záporné elektrody nebo dokonce na povrchu separátoru, což má za následek ztrátu kapacity během cyklu. Potahování vrstvy keramického separátoru na povrchu záporné elektrody může být schopné účinně blokovat růst SEI filmu ze záporné elektrody, čímž se sníží ztráta iontů lithia během cyklu. Navíc se elektrolyt bude během cyklu baterie dále rozkládat a keramický povlak má určitou absorpční kapacitu pro kapalinu, což může zlepšit rychlost zadržování kapacity elektrolytu během dlouhodobých cyklů nabíjení a vybíjení. Keramický povlak proto může zlepšit výkon cyklu ternární lithium-iontové baterie.

4. Bezpečnost baterií s keramickým povrchem je vyšší než u baterií s keramickým povrchem. Akupunkturním experimentům byly za stejných experimentálních podmínek podrobeny dvě různé baterie a výsledky jsou uvedeny na obrázku 3.

Obrázek 3. Výsledky akupunktury dvou baterií

Z obrázku 3 je patrné, že maximální teplota akupunktury baterie s keramickým povrchem je 123,1 °. Po zkoušce je baterie mírně oteklá bez kouře nebo výbuchu; maximální teplota nekeramické baterie je 410 ° C. Během testu explodovala a kouřila baterie, rozbil se horní kryt a test selhal. Důvod výše uvedeného jevu může souviset s keramickým povlakem na povrchu záporné elektrody. Jelikož děrování simuluje zkrat v baterii, za krátkou dobu se vygeneruje velké množství tepla a keramický povlak na povrchu záporné elektrody může zpomalit tepelné ztráty během procesu děrování. Prudce zvyšte, čímž zpomalíte tepelný rozklad elektrolytu a zabráníte výbuchu baterie v důsledku velkého množství plynu generovaného v krátkém čase. Keramický povlak proto významně zvyšuje bezpečnostní výkon lithium-iontových baterií.

2. Keramická membrána

V současné době vědci zlepšují hlavně výkon baterie z hlediska pozitivních a negativních materiálů, separátorů, elektrolytů a designu baterií. Mezi nimi jsou keramické separátory účinným způsobem, jak zlepšit výkon baterie. Keramické odlučovače mohou nejen zlepšit výkon baterie, ale také zlepšit výkon cyklu baterie a snížit rychlost samovybíjení. Pro keramické membrány existují různé způsoby výroby, jako je chemické nanášení par a povrchové úpravy. Keramická membrána může zlepšit cyklus a bezpečnostní výkon lithium-iontových baterií, ale její proces přípravy je obtížně kontrolovatelný a keramika na membráně je také náchylná k vypadávání během cyklu.

1. Morfologické rozdíly

Běžně používané membrány na trhu jsou vyrobeny z PP, PE nebo ze dvou druhů kompozitního zpracování. Ačkoli tyto mikroporézní polyolefinové separátory mají vynikající mechanickou pevnost a chemickou stabilitu, mají tyto separátory během procesu přípravy vnitřní napětí a napětí se uvolňuje v prostředí s vysokou teplotou a separátor bude mít zjevný účinek tepelného smrštění, což činí pozitivní i negativní elektrody uvnitř baterie Přímý kontakt s materiálem způsobí vnitřní zkrat a dojde k bezpečnostní chybě. Povlak částic nano oxidu hlinitého na povrchu odlučovače může účinně zlepšit bezpečnost lithiových baterií. Po rozpuštění a smíchání keramického prášku s PVDF a NMP a rovnoměrném dispergování se zapne potahovací stroj, aby se potáhl keramický prášek na PE membráně. Tlouštku keramického povlaku lze regulovat a poté se keramická membrána vyrobí sušením při 80 ° C po dobu 24 hodin. Mikromorfologie keramické membrány je znázorněna na obrázku 4.

Obrázek 4. Mikro morfologie PE a keramické membrány

Z obrázku je patrné, že potažené částice nano-A2O3 zcela pokrývají povrch PE membrány a mezi částicemi je nerovnoměrné rozdělení velkých dutin. Existence těchto velkých dutin může usnadnit vložení a extrakci Li + a má dobrou absorpci a zadržování kapaliny pro elektrolyt, takže neovlivňuje výkon nabíjení a vybíjení lithiové baterie po povlak je potažen.

2. Stupeň smrštění

Keramický povlak pomáhá zlepšit odolnost membrány proti vysoké teplotě. Vložte keramickou membránu a běžnou membránu do krabice při různých teplotách po dobu 2 hodin. Mezi dvěma typy membrán je velký rozdíl ve smršťování. Experimentální výsledky jsou uvedeny na obrázku 5.

Obrázek 5. Dva stupně smrštění membrány při různých teplotách

Membrána se smršťuje při vysoké teplotě, protože membrána má vnitřní napětí v důsledku tahu a roztažení během procesu přípravy. V prostředí s vysokou teplotou způsobuje pohyb vnitřního molekulárního řetězce bránice uvolnění napětí a zmenšuje se na velké ploše; ale keramická potahová membrána se zmenšuje při 140. Morfologie samotné membrány se nezměnila, kromě změny barvy membrány za podmínek pečení ℃. Když mají anorganické povlaky potažené na obou stranách povrchu membrány vysokou teplotní odolnost a tepelnou izolaci, teplota samotné základní membrány se sníží, takže membrána má vysokou teplotu. Původní podoba zůstává v prostředí.

3. Keramická membrána je prospěšná pro zlepšení bezpečnosti baterie

Obrázek 6. Vztah mezi vnitřním odporem a teplotou baterie sestavené se dvěma druhy membrán

PE oddělovač se zmenšuje na velké ploše, když je teplota vyšší než jeho teplota tání, takže kladné a záporné póly uvnitř baterie se přímo dotýkají a způsobují vnitřní zkrat. Proto se vnitřní odpor měřené baterie rychle snižuje; pro potažený separátor však i při 150 Tvar morfologie samotného separátoru se při pečení při ℃ nezmění, takže uvnitř baterie nedojde ke zkratu, což způsobí, že se vnitřní odpor baterie stále zvyšuje. Oddělovač PE ztratí ve vysokoteplotním prostředí svou mechanickou stabilitu, což povede k přímému kontaktu mezi kladnými a zápornými elektrodami uvnitř baterie a způsobí zkrat. Oddělovač keramického povlaku má vysokou teplotní odolnost, aby účinně zabránil zkratu uvnitř baterie a zlepšil bezpečnostní výkon baterie.

4. Dopad keramické membrány na životnost baterie

Oddělovač lithium-iontové baterie nejen izoluje kladné a záporné pólové nástavce uvnitř baterie, ale také potřebuje dobrou propustnost iontů. Protože anorganický povlak na separátoru zvýší tloušťku separátoru, což může ovlivnit iontovou vodivost. Experiment však dokazuje (obrázek 7), že jeho vliv je slabší, ale membrána s keramickým povlakem má lepší výkonnost cyklu.

Obrázek 7. Porovnání výkonu cyklu dvou typů membránových baterií

PP / PE odlučovače jsou nepolární, s hydrofobním povrchem a nízkou povrchovou energií. Je obtížné navlhčit a udržovat polární organické elektrolyty, jako je ethylenkarbonát a propylenkarbonát, které přímo ovlivňují výkonnost cyklu a používání baterie. Život, zatímco povrch anorganické keramiky je hydrofilní kvůli přítomnosti hydroxylových skupin, jeho zavedení může výrazně zlepšit smáčivost a retenční schopnost membrány nebo elektrody k elektrolytu a výrazně zlepšit výkon baterie. Současně mají částice nano-oxidu hlinitého velkou specifickou povrchovou plochu, což může zlepšit smáčitelnost a zadržování kapaliny elektrolytu na pólové nástavce, a také vede k životnosti cyklu baterie.

abych to shrnul:

Stručně řečeno, keramické povlaky mají významný dopad na výkon lithium-iontových baterií, zejména na bezpečnost lithiových baterií. Keramizace povrchu elektrody a membrány může nejen významně snížit rychlost vnitřního zkratu baterie a zlepšit bezpečnost, ale také zlepšit smáčivost elektrolytu elektrody a membrány, snížit polarizaci a zlepšit celkový výkon baterie. Proto je aplikace keramických povlaků v budoucnosti nevyhnutelným trendem ve vývoji lithium-iontových baterií.