Положительные и отрицательные материалы десорбируются или внедряются в ионы лития во время заряда и разряда. Распределение концентрации лития непосредственно связано с состоянием заряда материала и тесно связано со стрессом и деформацией, когда объем материала электрода расширяется или сжимается. В литиевой ионной батарее полюс Если вы знаете распределение лития, вы можете получить много информации о реакции электродов, понять процесс заряда и разряда и объяснить механизм отказа батареи.
Как работают литий-ионные батареи:
(1) Во время зарядки Li деинтеркалируется из материала катода (например, материала LiCoO2) и внедряется в анодный материал (такой как материал графита) через электролит. В то же время в анодный материал поступает одинаковое количество электронов по пути, противоположному тому, что во время разряда.
(2) Во время разряда: Li + деинтеркалируется из анодного материала (отрицательный электрод), а электролит внедряется в катодный материал (положительный электрод). В то же время из анодного материала вытекает равное количество электронов, через коллектор анодного тока, внешнюю цепь и токосъемник положительного электрода. Ввод материала катода, чтобы положительные и отрицательные электроды соответственно подвергались реакции окисления и восстановления.
Разница между процессом зарядки и разрядки заключается в следующем: при зарядке электроны не могут двигаться спонтанно во внешней цепи, и мощность должна применяться для выполнения работы.
Электрохимическое моделирование для прогнозирования распределения концентрации лития
Электрохимическая псевдо-двумерная (P2D) модель литий-ионной батареи основана на теории пористых электродов и теории концентрированного раствора. Как показано на рисунке 1, рассматривается реальный процесс химической реакции внутри батареи, включая твердофазный диффузионный процесс, жидкофазную диффузию и Процесс миграции, процесс переноса, процесс уравновешивания твердой и жидкой фаз. Уравнение Батлера-Фольмера используется для описания электрохимической реакции на каждом электроде и процесса погружения и деинтеркалирования поверхности. Второй диффузионный закон Фика используется для описания иона лития внутри частицы. Диффузионный процесс. Несколько уравнений с частными производными, описывающих процесс реакции и соответствующие граничные условия, составляют модель. Кривые заряда и разряда внешних характеристик реакционной ячейки могут быть получены за короткое время вычисления, а также могут быть получены положительные и отрицательные электроды внутреннего процесса реакции. Преимущество точности, полноты и механизма имеет распределение концентрации твердой фазы и распределение по фазе в твердой фазе материала, а также распределение концентрации жидкой фазы и распределение по фазе потенциала электролита.
Рис.1 Электрохимическая псевдо-двумерная (P2D) модель ионно-литиевой батареи
Псевдо-двумерная модель расширяется. Когда геометрическая модель принимает трехмерную структуру, можно детально рассчитать распределение лития в материале электрода. Как показано на фиг.2, можно получить концентрацию лития кобальтатного электрода лития в другом состоянии SOC SOC. См. Местную неравномерность распределения лития.
Рисунок 2 Результаты моделирования распределения концентрации лития кобальтатного электрода лития
Обнаружение нейтронной дифракции в режиме on-line распределения концентрации лития
Распределение концентрации лития, предсказанное электрохимическим моделированием, может объяснить многие проблемы, но это не истинный результат измерения. Это идеальная гипотеза для электродного процесса ионно-литиевых батарей. Метод нейтронной дифракции является своего рода нейтронным излучением с использованием разных материалов. Частота окклюзии различна, метод анализа материала. Нейтронное излучение обладает сильной проникающей способностью, длина рассеяния не зависит от атомного номера Z и также чувствительна к атомам света, поэтому нейтрон отвечает за атом лития в материале ионно-литиевой батареи. Нитро-марганец-кобальт-переходные атомы очень чувствительны. Мы можем проанализировать распределение Li в литий-ионной батарее на месте, не разрушая структуру литий-ионной батареи.
Owejan и др. Использовали устройство, показанное на рис. 3, для сборки графитового отрицательного электрода и литиевой пластины в полуэлемент. Пучок нейтронов использовался для обнаружения переноса и распределения лития в графитовой пластине. Пучок нейтронов проникал в упаковочный материал ПТФЭ. Отображается поперечное сечение полюса батареи, и прямое обнаружение распределения лития в поперечном сечении электрода. Одностороннее покрытие полюсного наконечника имеет ширину 5 мм и длину обнаруживающей поверхности 15 мм, как показано на рисунке 4а. Затем, используя теоретический анализ, они будут Интенсивность субспектра напрямую связана с концентрацией лития, которая может непосредственно количественно измерять распределение концентрации лития на поперечном сечении полюсной детали.
На фиг.3 показано устройство для создания литиевых батарей для обнаружения нейтронов в реальном времени с высоким разрешением
На фиг.4 показана схема, показывающая распределение лития, встроенного в электродный лист, во время первого разряда графитового электродного листа. Фиг.4а представляет собой схематический вид образца полюсной детали и его поверхности обнаружения, а фиг.4b представляет собой карту распределения концентрации лития, соответствующую разным временам разряда. 4c - потенциальная эволюция батареи в соответствующее время. Концентрация лития электрода и его распределение хорошо коррелируют с потенциалом электрода. Аналогично, на рисунке 5 показано распределение концентрации лития графитового электродного листа во время первого заряда и удаления лития. И потенциал в соответствующий момент.
Рисунок 4 Распределение концентрации лития в поперечном сечении электрода при первом литиевом разряде графита, (а) фотография, (б) распределение лития при разном времени разряда, (в) изменение напряжения батареи (увеличение C / 9)
Рисунок 5: Распределение концентрации лития во время первого удаления лития из лития, (а) распределение концентрации лития при разных временах зарядки и (б) Эволюция напряжения батареи (увеличение C / 9)
Модели нейтронных пучков на рисунках 4 и 5 могут быть использованы для количественной оценки концентрации ионов лития. Во время процесса разрядки / заряда, хотя увеличение мало (C / 9), все же можно заметить, что полюсный наконечник близок к токоприемнику и близко к сторонам диафрагмы. Неравномерность распределения лития, количественный анализ этой разницы показан на рисунке 6, концентрация лития вблизи стороны диафрагмы выше, чем у коллекторной стороны, и по мере увеличения количества вливания лития разница увеличивается.
Рисунок 6. Разница в концентрации лития, встроенная в диафрагму и коллекторную сторону полюсной части во время разряда
Кроме того, авторы обращают внимание на концентрацию ионов лития, оставшуюся в полюсной части после удаления лития с графитового электрода. Как показано на фиг.7, эта часть лития вызывает потерю мощности и является необратимой. Первые четыре разряда / заряд графитового электрода В цикле количество лития, оставшегося на графитовом электроде, показано на рисунке 8. Необратимая потеря лития в основном происходит в первом цикле, а в последующих циклах остаточное количество лития практически не изменяется.
Рисунок 7 Первые четыре цикла разрядной емкости и остаточная емкость лития
С развитием экспериментальной технологии исследователи продолжают разрабатывать технологию онлайн-детектирования для изучения механизма литиево-ионных батарей. Помимо онлайн-обнаружения нейтронных пучков существует много методов, таких как онлайн-обнаружение спектров комбинационного рассеяния и онлайн-обнаружение рентгеновских лучей.
