La pièce polaire de batterie lithium-ion est un matériau composite à trois couches composé d'un revêtement d'électrode et d'une feuille de collecteur de courant, c'est-à-dire d'un revêtement composé de particules, uniformément revêtues des deux côtés du collecteur de courant en métal et principalement composé de quatre parties: 1) particules de matériau actif; 2) une phase conductrice et un liant mélangés (phase carbonée); 3) des pores remplis d’électrolyte; 4) un collecteur de courant à feuille métallique.
La stabilité mécanique de la pièce polaire a un effet important sur la batterie, notamment avec une anode à base de silicium: lors de l’insertion et de l’extraction de lithium au cours du cycle de charge / décharge, le changement de volume atteint 270% et la durée de vie est réduite, ce qui provoque la pulvérisation des particules de silicium. Et le revêtement est séparé du collecteur de courant en cuivre.
Une méthode importante pour déterminer la durée de vie et les performances attendues d'un revêtement actif consiste à examiner la résistance de la liaison du revêtement et l'analyse de la défaillance du revêtement, ce qui peut entraîner le pelage du revêtement du substrat, qui peut être dû à des contraintes mécaniques ou thermiques. Contrainte, contrainte électrochimique, etc. Le décapage du matériau de revêtement peut se manifester de différentes manières: fissuration, délaminage, écaillement, écaillage ou déformation plastique. Vérifiez l'adhérence du revêtement et l'analyse des défauts du revêtement. Une méthode fiable et pratique permettant de quantifier la force d’adhérence entre le revêtement et le substrat et de caractériser le mécanisme de défaillance est une information importante pour la prévention ou l’arrêt de la défaillance d’adhérence, car cette connaissance peut aider à améliorer la qualité et les performances du revêtement.
L'adhérence réelle est la charge qui doit être appliquée pour séparer le revêtement du substrat, qui peut être affectée par de nombreux facteurs tels que l'épaisseur du revêtement, la rugosité du substrat, les propriétés mécaniques du revêtement et les résultats chimiques de surface du substrat. Impact: la méthode d’essai peut également influer sur la mesure de l’adhérence réelle. Les méthodes les plus courantes comprennent l’essai de pelage, l’essai de pliage, l’essai de rayure et l’essai d’indentation.
Cet article résume brièvement les méthodes de test des propriétés mécaniques des pièces polaires de batterie au lithium.En raison du niveau personnel limité, les erreurs dans le texte sont les bienvenues pour critiquer et corriger, et vous pouvez également laisser un message.
1, nanoindentation
La technologie de nanoindentation, également connue sous le nom d'Indentation par détection de profondeur (DSI), est l'une des méthodes les plus simples pour tester les propriétés mécaniques des matériaux: elle permet de mesurer diverses propriétés mécaniques à l'échelle nanométrique, telles que les courbes de déplacement de charge. , module d'élasticité, dureté, résistance à la rupture, effet d'écrouissage, comportement viscoélastique ou de fluage, etc. La vidéo suivante décrit le principe de base de la nanoindentation.
Figure 1 (a) Schéma de principe de l’essai de nanoindentation; (b, c) photo de balayage d’indentation de pièce polaire négative
La figure 1 est un diagramme schématique du principe du test de nanoindentation et d'un balayage de l'indentation de l'électrode négative d'une batterie au lithium ionique.Pendant le test, une charge P est appliquée au pénétrateur, lequel est enfoncé dans l'échantillon et laissé à la surface de l'échantillon après le déchargement. La courbe de déplacement de charge typique du test de nanoindentation est la déformation élastique au premier plan à la surface de l'échantillon au cours du processus de chargement. Au fur et à mesure que la charge augmente, la déformation plastique commence à apparaître et augmente progressivement. Le processus de déchargement est principalement la reprise de déformation élastique. Le processus et la déformation plastique finissent par former une indentation sur la surface de l'échantillon. Dans la figure, hc est la profondeur de contact, ht est le déplacement à la charge maximale, et le paramètre de l'instrument associé au indentement. Comme on peut le voir sur la figure 2, la charge augmente progressivement Si vous augmentez la charge maximale de 30mN, la charge décroît essentiellement linéairement. À ce stade, la pente de la droite est la rigidité de contact de l'échantillon S. La dureté H peut être calculée en mesurant la charge d'indentation P, la surface de pénétration A et la rigidité de contact S. Et le module élastique E.
Figure 2 Courbe typique de charge-déplacement dans le test de nanoindentation
La figure 3 est la courbe de déplacement de charge de l’essai multi-nanoindentation pour la pile au lithium-ion (a) électrode positive et (b) électrode négative, ainsi que le module élastique correspondant à (a) électrode positive et (b) essai de profondeur de pénétration par électrode différente. La microstructure et les contraintes internes à l'intérieur du revêtement sont les principales raisons du changement du module d'élasticité du revêtement lorsque l'épaisseur du revêtement est différente. Lorsque le revêtement est préparé, plus le revêtement est épais, plus la densité est élevée et plus la contrainte interne résultant du revêtement est élevée. Plus le module d'élasticité de la couche est grand Lorsque la profondeur de pénétration est faible, en particulier lorsque la surface de l'échantillon est rugueuse, il se produit un effet de surface important, principalement dû à la rugosité de la surface, qui se produit principalement au début du test. Les données ne sont ni réelles ni dispersées Afin de réduire au maximum l'influence de la rugosité de surface, il est recommandé de ne pas dépasser la profondeur d'indentation afin de garantir une profondeur de pénétration relativement faible.
Figure 3 Batterie lithium-ion (a) électrode positive et (b) courbe de déplacement de charge de test de nanoindentation multiple d'électrode négative, et (a) électrode positive et (b) électrode négative correspondant à différents tests de profondeur d'indentation
2, test de traction
L’essai de traction est une méthode d’essai permettant de déterminer les propriétés du matériau sous contrainte de traction axiale. Les données obtenues par cet essai peuvent déterminer la limite élastique du matériau, l’allongement, le module d’élasticité, la limite proportionnelle, la réduction de surface, la traction Résistance à la traction, limite d'élasticité, limite d'élasticité et autres propriétés de traction.
La figure 4 est une taille d’échantillon d’essai de traction et une simple monture d’essai de traction pour pièces polaires de batterie au lithium ionique.
Figure 4 Spécifications des échantillons d’essai d’essai de traction des pièces polaires de batterie lithium-ion et dispositif de test de traction simple
La figure 5 est une courbe de contrainte-déformation de l’essai de traction d’une électrode négative, d’une électrode positive et d’une feuille d’aluminium, semblable à la courbe de contrainte-déformation typique d’un matériau métallique. Elle est généralement divisée en plusieurs étapes:
1) Phase élastique: La contrainte et la déformation sont fondamentalement linéaires. Après déchargement, la longueur d'origine peut être restaurée. La courbe est appelée limite d'élasticité au point où la déformation atteint 0,2% et la résistance correspondante est la limite d'élasticité. À ce stade, le module d'élasticité peut être calculé. E, la pente de la courbe.
2) Stade de rendement: La contrainte reste fondamentalement la même et la contrainte augmente considérablement.
3) Phase de renforcement: Cette phase est la phase de durcissement plastique. Cette phase n’est pas observée dans la pièce polaire de la batterie. Le pic de contrainte correspondant au point f est la résistance à la traction.
4) Stade de déformation locale: à ce stade, l’échantillon sera collé jusqu’à rupture.
Le processus de rupture en traction par pièce polaire est illustré à la figure 6.
Figure 5 (a, b) électrode négative de la batterie lithium-ion, (c) électrode positive et (d) courbe de tension-déformation du test de traction sur feuille d'aluminium
La figure 6 est un diagramme schématique du processus de rupture en traction par pièce polaire
La figure 7 est une courbe contrainte-déformation de (a) l'électrode négative et (c) du test de traction d'une électrode positive d'une batterie à ions lithium.Selon ces données d'essai, la relation constitutive de la pièce polaire de la batterie au lithium est déduite et le modèle d'ajustement de ces pièces polaires est appliqué. 2. Dans le calcul de simulation d'une batterie lithium-ion, étudiez les propriétés mécaniques de la batterie.
Fig. 7 (a) électrode négative et (c) courbe contrainte-déformation de l'électrode positive d'une batterie lithium-ion et adaptation du modèle de la relation constitutive de la pièce polaire
3, test de compression
Lors de l’essai de compression, les propriétés mécaniques et les formules de calcul correspondantes définies dans l’essai de traction sont applicables au test des propriétés mécaniques des matériaux métalliques.Toutefois, lorsqu’une charge de compression uniaxiale est appliquée à l’échantillon, l’état de contrainte est doux. Le coefficient est nettement plus grand que l’état de traction, de sorte que certains matériaux présentant une rupture fragile lors des essais de traction (comme la fonte grise, la céramique, les alliages amorphes, etc.) peuvent présenter certaines déformations plastiques lors des essais de compression Résistance: par conséquent, lors de l’étude du comportement en déformation et en rupture de matériaux fragiles, des tests de compression sont souvent utilisés, leur résistance et leur plasticité étant mesurées.
Dans l'étude du modèle de relation constitutive de la pièce polaire de batterie au lithium-ion, afin de mieux comprendre les propriétés mécaniques de la pièce polaire, lors de l'étirement de la pièce polaire, la pièce polaire est souvent soumise à un test de compression et la figure 8 est une batterie au lithium ionique. (a) Courbes négative et (c) courbes contrainte-déformation pour les essais de compression positive et ajustement du modèle des relations constitutives de la pièce polaire. Construisez un modèle constitutif polaire basé sur les données des essais expérimentaux de traction et de compression de la pièce polaire, puis modélisez Il s’applique à l’étude du comportement à la rupture de la pièce polaire dans le processus d’assemblage de la batterie.
Figure 8: Batterie lithium-ion (a), courbe de contrainte-déformation du test de compression négatif et (c) positif, et ajustement du modèle de la relation constitutive de la pièce polaire
Fig. 9 Étude expérimentale et de simulation sur le comportement à la rupture de la pièce polaire dans le processus d'assemblage de la batterie
4, test de flexion
L'essai de flexion a la contrainte de surface la plus importante et peut refléter de manière sensible les défauts de surface du matériau.Elle est souvent utilisée pour étudier le processus de renforcement de surface et les propriétés de surface.La figure 9 montre les courbes de charge et d'enregistrement des courbes de flexion de charge de l'essai de flexion à trois points commun. La valeur de contrainte correspondant à la ligne en pointillé est la résistance à la flexion ou à la flexion du matériau.
Figure 10 Schéma de principe de la courbe de déviation de la charge lors de l’essai de pliage, chargement et enregistrement
5, test de pelage
La force de pelage du revêtement désigne la force nécessaire pour décoller le revêtement par unité de surface entre le revêtement et le substrat et constitue un indicateur important pour la détection de la performance du revêtement. Si la force de collage est trop faible, elle sera légère. Provoque une diminution de la durée de vie du revêtement, ce qui entraîne une défaillance prématurée. Le revêtement est partiellement décollé et le décollement ne peut pas être utilisé.
La résistance à la traction du revêtement est la capacité ultime du revêtement à résister à la contrainte de traction normale, qui est l'indicateur le plus important pour évaluer la résistance de liaison du revêtement.L'outil ou l'équipement de test sert à soumettre l'éprouvette à la force de traction perpendiculaire à la surface du revêtement. jusqu’à ce que l’échantillon soit séparé, c’est-à-dire que le revêtement soit décollé, que la charge au moment des dommages soit enregistrée et que la résistance à la traction du revêtement soit obtenue en divisant la valeur de la charge de l’échantillon par la surface de coupe.
Dans la méthode de test générale, la pièce polaire est divisée, le ruban adhésif double face 3M-VHB sensible à la pression est fixé à la surface de l'électrode, l'autre côté est fixé à la plaque en acier inoxydable, puis la plaque en acier inoxydable et le collecteur de courant sont fixés sur les deux supports du dispositif d'étirement. L'échantillon est étiré à une certaine vitesse et soumis à un test de pelage à 180 degrés.Lorsque le collecteur de courant en aluminium est complètement pelé, la force détectée est la force de pelage. Le principe du test est illustré à la figure 11.
Figure 11 Schéma de principe de l'essai de résistance au pelage des revêtements
1. L’essai de traction, l’essai de compression, l’essai de pelage, l’essai de déchirure et l’essai de cisaillement et de flexion peuvent être effectués à l’aide de la machine d’essai universelle électronique contrôlée par micro-ordinateur.
6, test de grattage
Figure 12 Schéma du fonctionnement général du testeur de rayures Lors du test de rayures, le stylet en diamant ou autre matériau dur est rayé linéairement à la surface du revêtement tout en appliquant une charge constante ou croissante. , l’aiguille est tirée dans le revêtement, atteint l’interface du revêtement ou passe du revêtement à l’interface du substrat. Le système de revêtement et de substrat causera des défauts de cohésion et d’adhérence. L’inspection est obtenue directement à partir du test de rayure et de l’analyse microscopique après le rayage. Les données fournissent des informations utiles sur le revêtement lui-même et sur le système revêtement-substrat.
La figure 13 est une micrographie électronique à balayage d'une anode à base de silicium de deux processus différents soumis à des charges différentes.L'étude des données expérimentales du test de rayure permet de comparer la stabilité mécanique de la pièce polaire négative et d'en déduire la durée de vie et les performances de la batterie.
Figure 12 Schéma du fonctionnement général du testeur de rayures.
Figure 13 Micrographie électronique à balayage de rayures d'anodes à base de silicium avec deux processus différents soumis à des charges différentes
