Prolaps Anodenmaterial während des Ladens und Entladen, oder Lithium-Ionen wird die Lithiumkonzentration Verteilung an den Ladungszustand des Materials unmittelbar verbunden, die Spannung und Dehnung in engen Zusammenhang mit der Volumenexpansion oder Kontraktion des Elektrodenmaterials. In einer Lithium-Ionen-Batterieelektrodenfolie Wenn Sie die Lithiumverteilung kennen, können Sie viele Informationen über die Elektrodenreaktion erhalten, den Lade- und Entladeprozess verstehen und den Mechanismus des Batterieversagens erklären.
Wie funktionieren Lithium-Ionen-Batterien?
(1) Lade: Li aus dem Kathodenmaterial deinterkaliert (beispielsweise LiCoO2 Material), in der Anode durch das Elektrolytmaterial eingebettet ist (beispielsweise Graphitmaterial), während eine gleiche Anzahl von Elektronen in dem Rückwärts Entladungsweg das Anodenmaterial eintritt.
(2) Entladung: Li + Material von der Anode (negative Elektrode) deinterkalieren, eingebettete Kathodenmaterial durch den Elektrolyten (positive Elektrode), während eine gleiche Anzahl von Elektronen von der Anodenmaterialfluss, der Anodenstromkollektor und die positive Elektrode der externen Schaltung durch den Kollektor Eintreten in das Kathodenmaterial, so dass die positiven und negativen Elektroden jeweils Oxidations- und Reduktionsreaktionen eingehen.
Der Unterschied zwischen dem Lade- und Entladevorgang ist: Beim Laden können sich die Elektronen nicht spontan auf dem externen Stromkreis bewegen, und die Energie muss für die Arbeit aufgebracht werden.
Elektrochemische Simulation zur Vorhersage der Lithiumkonzentrationsverteilung
Elektrochemischer Lithium-Ionen-Batterie pseudo 2D (P2D) theoretisches Modell basiert auf einer porösen Elektrode und eine konzentrierte Lösung etablierten Theorie, wie sie in Fig. 1 gezeigt, wobei das Verfahren der eigentlichen chemischen Reaktionen im Innern der Batterie unter Berücksichtigung, wobei das Verfahren des Festphasendiffusion, Flüssigkeitsdiffusion und Migration und Ladungstransferverfahren, das Verfahren der Fest-Flüssig-Gleichgewichtspotential. Butler-Volmer-Gleichung, die die beschriebene elektrochemische Reaktion verwendet und ist in jeder Oberfläche der oberen Elektrode und extrahieren Lithiumverfahren, unter Verwendung eines zweiten Diffusions Fickschen Gesetz beschreibt die interne Lithiumionen in die Teilchen eingebettet Diffusionsverfahren. mehrere PDE-Reaktionsverfahren und die Zusammensetzung Modellrandbedingungen beschreiben, die Ladungs-Entladungs-Eigenschaften der Batterien des Außenprofiles des Reaktors in einer sehr kurzen Rechenzeit zu erhalten, während weiter im Innern des Reaktionsprozesses positive und negative Elektroden zu erhalten, Festphasen-Flüssigphasen-Konzentration und Konzentrationsverteilung der Festphasenmaterial Potentialverteilung und die Verteilung der Elektrolytlösung und eine feste Phase Potentialverteilung und andere Details, genaue, voll, usw. basierter Mechanismus.
Abb.1 Elektrochemisches pseudo-zweidimensionales (P2D) Modell einer Lithium-Ionen-Batterie
Das Pseudo zweidimensionales Modell im ausgezogenen, dreidimensionalen geometrischen Modell der Struktur, kann die Verteilung in einem Lithium-Elektrodenmaterial im Detail berechnet werden, wie gezeigt, Lithiumkobaltoxid-Elektrode in einem anderen Ladungszustand SOC das Lithiumkonzentrationsprofiles 2, das sein kann Sehen Sie die lokale Ungleichmäßigkeit der Lithiumverteilung.
Abbildung 2 Simulationsergebnisse der Lithiumkonzentrationsverteilung der Lithium-Cobaltat-Elektrode
Neutronenbeugung Online-Erkennung der Lithium-Konzentrationsverteilung
Vorhersage der elektrochemisch Lithiumkonzentrationsverteilung kann viele Probleme beschrieben werden, aber dies ist nach allen Messungen nicht wahr ist, einen ideale Lithiumionenbatterie Elektrodenprozeß unter der Annahme. Neutronenbeugung und durch ein anderes Material für die Neutronenstrahlung unterschiedliche Abschirmungsrate, Materialanalysetechniken. irrelevante Neutronenstrahlung Durchdringungsvermögen und atomare Streulänge Z, und es ist auch empfindlich gegenüber den leichten Atomen, und daher ist die Neutronenlithiumionen-Batterie Material Lithiumatome und Nickel-Mangan-Kobalt Übergangsmetall-Atome sind sehr empfindlich.Wir können die Verteilung von Li in Lithium-Ionen-Batterie in situ analysieren, ohne die Struktur der Lithium-Ionen-Batterie zu zerstören.
Owejan, der die Vorrichtung nach Fig. 3 verwendet wird, die zusammengesetzten Blätter in eine Graphitanode und ein Lithium-Halbzellen, Neutronenradiographie Übertragungsleitung-Erfassungsprozess und die Verteilung von Lithium in dem Graphitelektrodenblech. Neutronenstrahl durchdringt das Verpackungsmaterial PTFE ist, Batterie Polstück Querschnittsabbildungs, direkte Erfassung der Verteilung der Lithiumelektrode Querschnitt, dessen eine Seite beschichtet Polstücke, 5 mm Breite, 15 mm Länge der Detektionsfläche in 4a gezeigt. sie dann durch theoretische Analyse, die Die Intensität des Teilspektrums steht in direktem Zusammenhang mit der Lithiumkonzentration, die direkt die Verteilung der Lithiumkonzentration auf den Querschnitt des Polstücks quantitativ messen kann.
Fig. 3 ist eine Lithiumbatteriekonstruktionsvorrichtung für hochauflösende Neutronen-Online-Detektion
Figur 4 ist ein Blatt Graphitelektrode in dem ersten Entladungsprozess, die Verteilung des Lithium-Einlagerungselektrodenbleches. Fig. 4a eine schematische Ansicht eines Polstücks ist und die Probenoberfläche detektiert wird, Fig. 4b ist eine Lithium-Konzentrationsverteilung in einem Muster auf die verschiedene Entladungszeit entspricht, Fig. 4c ist das Potential an die Zeitentwicklung der Batterie. Lithiumkonzentration und die Elektrodenpotentialverteilung und guter Übereinstimmung Elektroden up entspricht. ähnlich Fig. 5 ist eine Blattlithiumkonzentration Graphitelektrode während der ersten Ladungsverteilung von Lithium Und das Potenzial im entsprechenden Moment.
Figur 4 Graphite erste Entladungselektrode eingebettet Schnitt Lithium Lithiumkonzentration Verteilungsprozess, (A) eine schematische Ansicht eines fotografischen, (b) die Verteilung von Lithium verschiedener Entladungszeit, die Spannung (C) die Entwicklung der Batterie. (Verhältnis C / 9)
Abbildung 5: Lithium-Konzentrationsverteilung während der ersten Lithium-Entfernung von Graphit, (a) Lithium-Konzentrationsverteilung bei unterschiedlichen Ladezeiten und (b) Entwicklung der Batteriespannung (Vergrößerung C / 9)
Neutronenstrahlmuster von Fig. 4 und Fig. 5 können die Lithium-Ionen-Konzentration quantitativ. In dem Entlade- / Ladevorgang analysiert werden, obwohl kleines Verhältnis (C / 9), aber immer noch in der Nähe der Polschuhe auf beiden Seiten beobachtet wird, nahe den Stromabnehmer und der Separator Die Lithium-Verteilungsungleichmäßigkeit, quantitative Analyse dieses Unterschieds ist in Fig. 6 gezeigt, die Lithiumkonzentration in der Nähe der Membranseite ist höher als die Kollektorseite, und wenn die Menge an Lithiumeinfügung zunimmt, nimmt der Unterschied zu.
Abbildung 6. Unterschied der Lithiumkonzentration in der Membran- und Kollektorseite des Polschuhs während der Entladung
Ferner verursachte die Graphitelektrode aus Lithium betroffenen dann ab, nachdem Einsatz Lithium verbleibenden in den Polstücken der Lithium-Ionen-Konzentration in 7 gezeigt ist, ist dieser Teil des Lithiums einen Kapazitätsverlust, irreversible Kapazität. Vier Graphitelektrode vor der Entlade / Lade In dem Zyklus ist die Menge an Lithium, die in der Graphitelektrode verbleibt, in 8 gezeigt. Der irreversible Lithiumverlust tritt hauptsächlich in dem ersten Zyklus auf, und in den nachfolgenden Zyklen ändert sich die restliche Lithiummenge kaum.
Abbildung 7 Die ersten 4 Zyklen von Entladungskapazität und Restkapazität von Lithium
Mit der Entwicklung der experimentellen Techniken, weiterhin Forscher Linie Detektionstechniken entwickeln, um den Mechanismus einer Lithium-Ionen-Batterie-Forschung. Neben die Neutronenstrahl Linienerkennung und Erfassung Raman-Linie, Röntgenstrahlen und andere Online-Testtechniken.
