การเพิ่มประสิทธิภาพทางทฤษฎีของพารามิเตอร์การออกแบบสำหรับอิเลคโทรดเชิงลบแบบซิลิคอนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ซิลิกอนเป็นวัสดุเชิงลบขั้วไฟฟ้าในอนาคตกรัมความจุของทฤษฎีเกี่ยวกับ 4200mAh / g มากกว่า 10 ครั้งสูงกว่าไฟท์ตามขั้วลบ 372mAh / g ซึ่งหลังจากที่อุตสาหกรรมจะช่วยเพิ่มความจุของแบตเตอรี่. แต่ตอนนี้ซิลิกอน ปัญหาหลักของวัสดุ: 1, เมื่อชาร์จและการปลดการขยายตัวของปริมาณของ 300% -400%; 2 ความจุสูงกลับไม่ได้และมีประสิทธิภาพ Coulombic เนื่องจากการสูญเสียที่เกิดขึ้นจริงต่ำของกำลังการผลิตและวงจรชีวิตที่น่าสงสารหลังจากผสมกับลิเธียมปริมาณซิลิกอนผลึกเกิดขึ้น การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่มีผลต่อปริมาณได้อย่างง่ายดายทำให้เกิดผงวัสดุขั้วบวกซิลิคอนและปอกเปลือกจากการสะสม. เนื่องจากปริมาณของซิลิกอนและผลกระทบที่เกิดจากการผลัดซ้ำ ๆ ทำให้เกิดการทำลายและการฟื้นฟูบูรณะของ SEI จึงช่วยเพิ่มลิเธียมไอออน การบริโภคในที่สุดส่งผลกระทบต่อความจุของแบตเตอรี่อยู่ในขณะนี้เป็นนาโนผ่านฟูมซิลิกาเคลือบซิลิกอนคาร์บอนยาสลบ, กาวและวิธีการอื่นในการแก้ปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพดังกล่าวข้างต้น

จากจุดวิศวกรรมของมุมมองในการสั่งซื้อเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ที่จำเป็นในการควบคุมมวลรวมของขั้วไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่ที่ประกอบไปด้วยมวลที่ใช้งานของวัสดุอิเล็กโทรที่เต็มไปในรูขุมขนของอิเล็กโทรอิเล็กโทรของเหลวเครื่องผูกและสารเติมแต่งเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและเก็บในปัจจุบัน ดังนั้นความหนาแน่นของพลังงานไฟฟ้าขึ้นอยู่กับอัตราส่วนโดยมวลของวัสดุที่ใช้งานและวัสดุที่ไม่ใช้งานที่ใช้ในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของอิเล็กโทรดรูพรุนวิธีการทางเทคนิคทั่วไป: การเพิ่มความหนาของอิเล็กโทรด (วัสดุงาน / อัตราการสะสมในปัจจุบัน) และลดความพรุน (อิเล็กโทร / กิจกรรม อัตราส่วนวัสดุ). แต่เนื่องจากข้อ จำกัด ของการขนส่งลิเธียมไอออนภายในขั้วไฟฟ้าและการเพิ่มขึ้นของความหนาของอิเล็กโทรดจะช่วยลดความพรุนของการลดความหนาแน่นของพลังงานเซลล์. นอกจากนี้อัตราส่วนการผสมของขั้วบวกไฟท์อาจส่งผลกระทบต่อความจุของอิเล็กโทรคอมโพสิตและการขยายตัวของปริมาณเฉลี่ย. ดังนั้น การเพิ่มประสิทธิภาพของพารามิเตอร์การออกแบบเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาพลังงานสูงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีพลังงานสูง

Heubner et al, พิจารณาซิลิกอนและกราไฟท์ผสมสัดส่วนของการขยายตัวของปริมาณของวัสดุที่จะกำหนดเกณฑ์การออกแบบที่ดีที่สุดของขั้วไฟฟ้าที่มีรูพรุนซิลิคอน. พวกเขากำหนด 'ค่าเกณฑ์การปรับเปลี่ยน' ตั้งแต่ซิลิกอนการขยายตัวของปริมาณขั้วลบของขั้วเดิมรูขุมขนจะเต็มไปและ ลดรูพรุนในการสั่งซื้อเพื่อหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับอนุภาคไฟฟ้าที่ผลิตลดลงในความเครียดอย่างรุนแรงและการเสียรูปและความพรุนในกระบวนการชาร์จจะมีความพรุนเริ่มต้นของขั้วไฟฟ้าให้น้อยที่สุด. เมื่อการออกแบบอิเล็กโทรด, พรุนต้องมากกว่าค่านี้. นอกจากนี้ นอกจากนี้ยังกำหนดอัตราเกณฑ์ปัจจุบัน 'ในการสั่งซื้อเพื่อให้แน่ใจว่าการแพร่กระจาย จำกัด อัตราส่วนสภาพคล่องไม่น้อยกว่าปัจจุบันที่จำเป็นเพื่อหลีกเลี่ยงความจุลดลงอย่างมากอย่างรวดเร็วชาร์จอีกครั้งเพื่อวิเคราะห์ผลกระทบของเกณฑ์การออกแบบเหล่านี้ของพารามิเตอร์ประสิทธิภาพการทำงานของซิลิกอนขั้วลบที่ และเพิ่มประสิทธิภาพการพารามิเตอร์การออกแบบอิเล็กโทรดเพื่อให้มั่นใจความหนาแน่นของพลังงานและความหนาแน่นของพลังงานของอิเล็กโทรดโดยใช้การวิเคราะห์ตามเกณฑ์ความสัมพันธ์

1 พรุน

พรุนของลิเธียมไอออนขั้วไฟฟ้าแบตเตอรี่และ epsilon นั้น 0 สามารถแสดงโดยสูตร (1):

(1)

Vi คือปริมาตรของแต่ละขั้วไฟฟ้าในคอมโพเนนต์ของแข็งรวมทั้งซิลิกอน (Si), กราไฟท์ (C), เครื่องผูก (B) และตัวแทนสื่อกระแสไฟฟ้า (A). V เป็นหนึ่งปริมาณของสารเคลือบผิวอิเล็กโทรด. สันนิษฐานว่า SOC = 0 และ SOC = 1 ระหว่างการเปลี่ยนแปลงปริมาณขององค์ประกอบที่เกี่ยวข้องเฟสของแข็งเป็นเส้นตรงปริมาณของระยะการขยายตัวเป็นครั้งพรรณีค่าเริ่มต้น (ซิลิกอน, กราไฟท์ตัวแทนสื่อกระแสไฟฟ้าและสารยึดเกาะที่มีการขยายตัวของปริมาณ NSI = 3 nC = 0.1, nA = 0, NB = 0), พรุนขั้วไฟฟ้าและพิจารณา epsilon ในช่วงเวลาของการขยายตัวของปริมาณการ SOC รัฐนี้ที่แตกต่างกัน (SOC) ของสูตร (2):

(2)

สันนิษฐานว่าในกรณีที่ด้านนอกของแบตเตอรี่ จำกัด การขยายตัวโดยรวมของแบตเตอรี่ จำกัด ครั้ง NS (เช่น 10%) มีความหนาแน่นที่แท้จริงของของแข็งของแต่ละปี่ (ซิลิกอน, กราไฟท์ตัวแทนสื่อเครื่องผูกและอิเล็กโทรไลหนาแน่น เป็นρSi = 2336, ρC = 2200 ρA = 2200 ρB = 1800 ρCC = 8920 ρel = 1500) และเข้าสู่เปอร์เซ็นต์ωiมวลเพื่อให้สูตร (3):

(3)

ตามสมการ (3), ไฟฟ้า, lithiation พรุนเริ่มต้นที่แตกต่างกัน, ความสัมพันธ์ระหว่างความพรุนของอิเล็กโทรดและ SOC แสดงในรูปที่ 1a ที่รูปที่ 1b คือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างวงจรที่สอดคล้องกับจุลภาค (สมมติว่าการขยายตัวโดยรวมของไฟฟ้าจะถูก จำกัด NS = 10%). เป็น SOC เพิ่มขึ้นพรุนจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ. พรุนครั้งแรกในช่วง 20 ถึง 40% (พรุนทั่วไปขั้วไฟฟ้ากราไฟท์เชิงพาณิชย์) พรุนของขั้วไฟฟ้าซิลิกอนจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อค่าใช้จ่าย ศูนย์. กระบวนการดังกล่าวอาจก่อให้เกิดความเครียดกลขั้วไฟฟ้าภายในขนาดใหญ่ที่ก่อให้เกิดซิลิคอนแหลกลาญความล้มเหลวในการติดต่อไฟฟ้าและอื่น ๆ เพื่อให้ความสามารถในการสลายตัว. ในกรณีของรูพรุนขนาดกลางครั้งแรก (50-70%), การลดความพรุนที่เห็นได้ชัดน้อย อย่างไรก็ตามถ้าคุณต้องการรักษา SOC = 1 ค่าความพรุนของอิเล็กโทรดไม่ตกไปอยู่ที่ 0 ค่าความพรุนเริ่มแรกต้องมากกว่า 80%

รูปที่ 1 (a) วิวัฒนาการของความพรุนในระหว่างการ lithiation ที่รูพรุนเริ่มต้นที่แตกต่างกัน (ข) วิวัฒนาการของความพรุนของอิเล็กโทรดที่พรุนเริ่มต้นที่แตกต่างกัน

มะเดื่อ 2a เป็น SOC ที่แตกต่างกันเนื้อหาซิลิคอนอิเล็กโทรด = ความสัมพันธ์พรุนพรุนเริ่มต้นในรัฐ lithiated เพิ่มขึ้นเนื้อหาซิลิคอนจะนำไปสู่การอิเล็กโทรลิเธียมมีความหนาแน่นมากขึ้นขั้วไฟฟ้ากราไฟท์บริสุทธิ์การขยายตัวของปริมาณไฟท์ 10% ถ้าขั้วไฟฟ้า กำหนดเปลี่ยนแปลงปริมาณ 10% ในรูพรุนไม่ได้เปลี่ยนไปหลังจากที่ lithiation. มะเดื่อ. 2b คือการเปลี่ยนแปลงโดยรวมในขั้วไฟฟ้าปริมาณการกำหนดค่าที่แตกต่าง (0%, 10%, 20%) ต่อไป SOC เนื้อหาในสามของซิลิกอนอิเล็กโทรดที่แตกต่างกัน lithiated รัฐ = 1 ที่ ความสัมพันธ์ระหว่างความพรุนต่ำและความพรุนเริ่มแรกมีขนาดเล็กกว่าขีด จำกัด การเปลี่ยนปริมาตรรวมของอิเล็กโทรดที่มีขนาดเล็กกว่าความพรุนของอิเล็กโทรดหลังจากการ lithiation

SOC รูปที่ 2 (ก) ที่มีเนื้อหาที่แตกต่างกันศรีอิเล็กโทรด = ความสัมพันธ์ระหว่างความพรุนของรูพรุนเริ่มต้นในรัฐ lithiated. SOC ตาม (ข) แตกต่างจากค่าขีด จำกัด การเปลี่ยนแปลงปริมาณโดยรวม (NS) อิเล็กโทรดรูขุมขน = รัฐ lithiated ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราและความพรุนเริ่มแรก

2, การกระจาย Li อิเล็กโทรไลต์

Lithiation ลิเธียมไอออนจะแทรกเข้าไปในวัสดุที่ใช้งานจากอิเล็กโทรไลเข้มข้นลิเธียมในอิเล็กโทรไลในรูขุมขนลดลงไฟฟ้าได้. ลาดเข้มข้นจะเกิดขึ้นบนชิ้นเสาทั้งหมดที่เกิดขึ้นในการแพร่กระจายของลิเธียมเข้ากับขั้วลบ. หากความเข้มข้นของลิเธียมในอิเล็กโทรลดลงไปอยู่ที่ศูนย์ ปฏิกิริยาการแทรกลิเธียม. ดังนั้นสูงสุดในปัจจุบันถึงขีด จำกัด ของการที่เรียกว่าการแพร่กระจาย jlim ปัจจุบันอาจจะแสดงเป็นสูตร (4) ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายที่มีประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับความพรุน

(4)

รูปที่ 3 แผนภาพการสูญเสียการกระจายตัวของความเข้มข้นของลิเธียมอิเล็กโตรไลต์ในระหว่างการประจุกระแสไฟคงที่ที่ความพรุนแตกต่างกัน

มะเดื่อ 3 เป็นลิเธียมอิเล็กกระจายความเข้มข้นที่คงที่ในปัจจุบันแตกต่างกันชาร์จพรุนวงจร, การขนส่งภายใต้ลิเธียม (ก) ความพรุนขนาดใหญ่ในอิเล็กโทรลิเธียมความเข้มข้นเพียงพอในอิเล็กใกล้เคียงกับค่าเริ่มต้น (B). ลดรูพรุนที่ เมื่อความเข้มข้นของลิเธียมไอออนของอิลดความเข้มข้นของการไล่ระดับสีจะเกิดขึ้น. (c) ลดความพรุนก็ยังคงความเข้มข้นของลิเธียมภายในขั้วใกล้กับ 0. (ง) ความพรุนต่ำมากความเข้มข้นของลิเธียมตลอดขั้วไฟฟ้าจะลดลงอย่างรวดเร็วให้เป็นศูนย์ .

รูปที่ 4 วิวัฒนาการของอัตราการกระจายตัวที่ จำกัด ในปัจจุบันระหว่างการ lithiation ที่รูพรุนเริ่มต้นที่แตกต่างกัน

มะเดื่อ 4 เป็นรูพรุนที่แตกต่างกันเริ่มต้น lithiation เพิ่มขึ้นเป็น SOC อัตราประสิทธิภาพการย่อยสลายแพร่วงเงินวิวัฒนาการอัตราปัจจุบันตัวอย่างเช่นในการเริ่มต้นและความพรุน epsilon; .. ณ วันที่ 0 = 80%, SOC = 0 อิเล็กโทรด กระแสสูงสุดในการกระจายสูงสุดคือ 9.6C และ SOC = 1 ประมาณ 0.85C

รูปที่ 5 (ก) การขยายตัวของการขยายตัวและความพรุนเริ่มต้นภายใต้ความหนาของขั้วไฟฟ้าที่ต่างกันและ (ข) เนื้อหาซิลิคอนที่แตกต่างกัน

มะเดื่อ 5 คือการเพิ่มในปัจจุบันขั้วไฟฟ้าที่แตกต่างกันมีความหนาแตกต่างกันและการแพร่กระจาย จำกัด เนื้อหาการขยายซิลิคอนของรูพรุนเริ่มต้นของความสัมพันธ์กับการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานที่อัตราพรุนเริ่มต้น. ในพรุนเริ่มต้นบางขั้วไฟฟ้าที่มีความหนาแพร่- จำกัด ลดรูขุมขนโดยเฉพาะอย่างยิ่งหนาหรือขนาดเล็กโดยเฉพาะอย่างยิ่งการแพร่กระจายโดยทั่วไปขั้วไฟฟ้า จำกัด SOC อัตราค่าจำหน่ายสูงสุด = 1 ในลดลงคมชัด. นอกจากนี้การเพิ่มขึ้นของวัสดุคอมโพสิตไฟท์อย่างมีนัยสำคัญสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของการขยายขั้วไฟฟ้า

สรุป: เมื่อพิจารณาถึงการขยายตัวของปริมาณมหาศาลของผลซิลิคอนขั้วบวกกระบวนการขยายตัวลดพรุนของขั้วไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นความเครียดระหว่างอนุภาคจึงทำให้เกิดผงซิลิคอนคาร์บอนสำหรับขั้วลบชิ้นขั้วแบตเตอรี่ควรจะออกแบบกว่าขั้วบวกกราไฟท์ พรุนขนาดใหญ่คำนวณทางทฤษฎีพิจารณาปริมาณและความจุที่ระบุมวลสอดคล้องกับการปรากฏตัวของซิลิกอนเนื้อหาที่แตกต่างกันกว่ากำลังการผลิตสูงสุดในกรณีนี้ขั้วไฟฟ้าที่เพิ่มประสิทธิภาพความหนาและความพรุนแสดงในตารางที่ 1 (วิเคราะห์: mikowoo).

ตารางที่ 1 ความจุเฉพาะสูงสุดและความหนาของอิเลคโตรไลต์ที่เหมาะสมที่สุดและความพรุนของซิลิคอนคาร์บอนที่มีซิลิกอน