Trang chủ > Tin tức > Nội dung
Chỉ số mật độ Lithium trong các miếng cực pin Lithium
- Nov 10, 2018 -

Các vật liệu tích cực và tiêu cực được desorbed hoặc nhúng trong các ion lithium trong quá trình sạc và xả. Sự phân bố nồng độ lithium liên quan trực tiếp đến trạng thái của vật liệu, và liên quan chặt chẽ đến ứng suất và biến dạng khi khối lượng của vật liệu điện cực giãn ra hoặc co lại. Trong phần cực của pin lithium ion, nếu bạn biết phân phối lithium , bạn có thể nhận được rất nhiều thông tin phản ứng điện cực, hiểu quy trình sạc và xả, và giải thích cơ chế hỏng pin.

Cách pin lithium-ion hoạt động:

(1) Tại thời điểm sạc: Li được khử từ vật liệu catốt (ví dụ, vật liệu LiCoO 2) và chất điện phân được xen vào vật liệu anôt (ví dụ, vật liệu Graphite), trong khi một lượng electron bằng nhau nhập các vật liệu anode trong một con đường đối diện với điều đó tại thời điểm xả.

(2) Trong quá trình xả: Li + được khử từ vật liệu anôt (điện cực âm), và chất điện phân được nhúng vào vật liệu âm cực (điện cực dương), trong khi một lượng electron bằng nhau chảy ra từ vật liệu anode, thông qua bộ thu hiện tại bộ thu dòng điện cực âm, mạch ngoài và điện cực dương. Vật liệu catốt được giới thiệu để gây ra phản ứng oxy hóa và khử của điện cực dương và âm, tương ứng.

Sự khác biệt giữa quá trình sạc và xả là khi sạc, các electron không thể di chuyển tự động trên mạch ngoài và phải cấp nguồn điện.

Mô phỏng điện hóa để dự đoán phân bố nồng độ lithium

Mô hình pin lithium-ion giả 2 chiều điện hóa (P2D) được dựa trên lý thuyết điện cực xốp và lý thuyết giải pháp tập trung. Như thể hiện trong hình 1, quá trình phản ứng hóa học thực tế bên trong pin được xem xét, bao gồm quá trình khuếch tán pha rắn, khuếch tán pha lỏng và quá trình chuyển hóa, quá trình truyền, quá trình cân bằng pha rắn-lỏng. Phương trình Butler-Volmer được sử dụng để mô tả phản ứng điện hóa trên mỗi điện cực và quá trình nhúng bề mặt và quá trình khử chất. Định luật khuếch tán thứ hai của Fick được sử dụng để mô tả quá trình khuếch tán của các ion lithium bên trong hạt. Một số phương trình vi phân từng phần mô tả quá trình phản ứng và các điều kiện biên tương ứng tạo thành một mô hình. Đường cong tính phí và xả của các đặc tính bên ngoài của tế bào phản ứng có thể thu được trong một thời gian tính toán ngắn, và pha rắn của vật liệu dương và âm trong quá trình bên trong cũng có thể thu được.Điều kiện như phân phối nồng độ và pha rắn phân bố tiềm năng, cũng như phân bố nồng độ pha lỏng và phân bố tiềm năng pha rắn của chất điện phân, có những ưu điểm về tính chính xác, toàn diện và dựa trên cơ chế.

图片1
Hình 1 Mô hình pin lithium ion hai chiều điện hóa (P2D)

Mô hình hai chiều giả được mở rộng. Khi mô hình hình học thông qua một cấu trúc ba chiều, phân bố lithium trong vật liệu điện cực có thể được tính toán chi tiết. Như được biểu diễn trong hình 2, điện cực lithium coban có phân bố nồng độ lithium theo trạng thái SOC khác nhau. Xem sự không đồng đều của địa phương trong việc phân phối lithium.

图片2
Hình 2 Kết quả mô phỏng phân bố nồng độ lithium của điện cực coban lithium

Phát hiện trực tuyến nhiễu xạ neutron phân bố nồng độ lithi

Sự phân bố nồng độ lithium được dự đoán bằng mô phỏng điện hóa có thể giải thích nhiều vấn đề, nhưng đây không phải là kết quả đo lường thực sự, và là một giả định lý tưởng cho quá trình điện cực của pin lithium ion. Kỹ thuật nhiễu xạ nơtron là một kỹ thuật phân tích vật liệu bằng cách sử dụng các vật liệu khác nhau cho các tốc độ khác nhau của bức xạ neutron.Neutron bức xạ có sức mạnh thâm nhập mạnh, chiều dài tán xạ độc lập với số nguyên tử Z, và nhạy cảm với các nguyên tử ánh sáng. Do đó, các neutron rất nhạy cảm với các nguyên tử lithium và các nguyên tử kim loại chuyển tiếp coban mangan trong các vật liệu pin lithium ion. Phân tích tại chỗ phân phối Li bên trong pin lithium ion được thực hiện mà không phá hủy cấu trúc của pin lithium ion.

Owejan et al. sử dụng thiết bị thể hiện trong hình 3 để lắp ráp một điện cực âm than chì và một tấm lithium vào một nửa tế bào. Quá trình truyền và phân phối lithium trong mảnh cực graphite được phát hiện trực tuyến bằng nhiếp ảnh neutron. Chùm neutron thâm nhập vào vật liệu đóng gói PTFE, và mặt cắt ngang của phần cực của pin được chụp ảnh, và sự phân bố lithium ở mặt cắt ngang của điện cực được phát hiện trực tiếp. Lớp phủ một mặt của phần cực có chiều rộng là 5 mm và chiều dài của bề mặt phát hiện là 15 mm, như trong hình 4a. Sau đó, thông qua phân tích lý thuyết, chúng thiết lập một mối quan hệ trực tiếp giữa cường độ của phổ neutron và nồng độ lithium, do đó sự phân bố nồng độ lithium trên mảnh cực có thể đo trực tiếp định lượng.

图片3
Hình 3 là thiết bị xây dựng pin lithium để phát hiện trực tuyến neutron độ phân giải cao

Hình 4 là biểu đồ thể hiện sự phân bố lithium nhúng trong các tấm điện cực trong lần xả đầu tiên của các tấm điện cực graphite. 4a là một sơ đồ của một mẫu mảnh cực và bề mặt phát hiện của nó, FIG. 4b là bản đồ phân bố nồng độ lithium tương ứng với các thời gian xả khác nhau và FIG. 4c là một quá trình tiến hóa tiềm năng của pin tại một thời điểm tương ứng. Nồng độ lithi của điện cực và sự phân bố của nó tương ứng với tiềm năng của điện cực. Tương tự, FIG. 5 là phân bố nồng độ lithium của tấm điện cực graphite trong lần sạc đầu tiên của lithium và một điện thế tại một thời điểm tương ứng.

图片4
Hình 4 cho thấy sự phân bố nồng độ lithium của phần điện cực trong quá trình chèn lithi đầu tiên của than chì, (a) sơ đồ hình ảnh, (b) sự phân bố lithium ở các lần xả khác nhau, và (c) sự phát triển điện áp của cục pin. (độ phóng đại C / 9)

图片5
Hình 5 Phân bố nồng độ lithi trong quá trình phân định than chì đầu tiên, (a) phân bố nồng độ lithium ở các lần sạc khác nhau và (b) sự tiến hóa điện áp của pin (độ phóng đại C / 9)

Các mẫu chùm neutron của Hình 4 và 5 cho phép phân tích định lượng nồng độ ion lithium. Trong quá trình xả / sạc, mặc dù độ phóng đại nhỏ (C / 9), vẫn có thể quan sát sự phân bố không đồng đều của lithium gần bộ thu hiện tại và hai bên của bộ tách. Phân tích định lượng của sự khác biệt này được thể hiện trong hình 6. Nồng độ lithi gần phía phân cách cao hơn phía thu gom, và khi lượng liti tăng lên, sự chênh lệch tăng lên.

图片6
Hình 6. Sự khác biệt về nồng độ lithium được nhúng trong màng ngăn và phía thu của phần cực trong khi xả

Ngoài ra, các tác giả chú ý đến nồng độ ion lithium còn lại trong mảnh cực sau khi điện cực lithium được xen kẽ với lithium, như trong hình 7, phần này của lithium gây mất năng lực và khả năng không thể đảo ngược. Trong bốn chu trình xả / điện tích đầu tiên của điện cực than chì, lượng lithi còn lại trong điện cực than chì được biểu diễn trong Hình 8. Sự mất lithium không thể đảo ngược chủ yếu xảy ra trong chu kỳ đầu tiên, và trong các chu kỳ tiếp theo, lượng lithium dư hầu như không thay đổi.
图片7


Hình 7 4 chu kỳ đầu tiên của công suất xả và dung lượng lithium còn lại

Với sự phát triển của công nghệ thử nghiệm, các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển công nghệ phát hiện trực tuyến để nghiên cứu cơ chế của pin lithium-ion. Ngoài phát hiện trực tuyến các chùm neutron, có nhiều công nghệ như phát hiện trực tuyến phổ Raman và phát hiện trực tuyến x-ray.


Related Products