Литиевая ионно-литиевая батарея представляет собой трехслойный композитный материал, состоящий из электродного покрытия и фольги токоприемника, то есть покрытия, состоящего из частиц, равномерно покрытых с обеих сторон металлического токоприемника и состоящего в основном из четырех частей: 1) частицы активного материала, (2) проводящая фаза и связующее, смешанные друг с другом (углеродная фаза), (3) поры, заполненные электролитом, (4) коллектор тока из фольги.
Механическая устойчивость полюсной детали оказывает важное влияние на батарею, особенно на кремниевом аноде. При вставке и извлечении лития во время цикла зарядки / разрядки изменение объема достигает 270%, а срок службы батареи является низким. Это расширение объема приводит к распылению частиц кремния. И покрытие отделено от медного токосъемника.
Важным методом определения ожидаемого срока службы и эффективности активного покрытия является проверка прочности связи покрытия и анализ отказа покрытия. Неисправность покрытия включает в себя отслаивание покрытия от подложки, что может быть связано с механическим или термическим Стресс, электрохимический стресс и т. Д. Зачистка материала покрытия может проявляться по-разному: растрескивание, расслаивание, отслаивание, измельчение или пластическая деформация. Проверить адгезию покрытия и анализ отказов покрытия Надежный и практичный метод количественной оценки адгезионной прочности между покрытием и подложкой и характеризующий механизм разрушения - важная информация для предотвращения или остановки адгезионного разрушения. Понимание этих знаний может помочь улучшить качество и эффективность общего покрытия.
Фактическая адгезия - это нагрузка, которую необходимо наносить для отделения покрытия от подложки. На фактическую адгезию могут влиять многие факторы, такие как толщина покрытия, шероховатость подложки, механические свойства покрытия и поверхностные химические результаты подложки. Воздействие. Измерение фактической адгезии также может быть затронуто методом испытания. Наиболее распространенные методы включают испытание на отслаивание, испытание на изгиб, тест на царапины и испытание на углубление.
В этой статье кратко изложены методы испытаний механических свойств полюсов литиевых батарей. Из-за ограниченного личного уровня ошибки в тексте можно критиковать и исправлять, и вы можете оставить сообщение.
1, наноиндентация
Технология наноиндентирования, также известная как Depth-Sensing Indentation (DSI), является одним из простейших методов проверки механических свойств материалов. Она может измерять различные механические свойства материалов в наномасштабе, такие как кривые нагрузки-смещения. , модуль упругости, твердость, вязкость разрушения, эффект деформационного упрочнения, вязкоупругое или ползучее поведение и т. д. Следующим видео является основной принцип наноиндентации.
Рисунок 1 (a) Принципиальная схема теста на наноиндентацию; (b, c) Отрицательное сканирование отскока в полюсе
На рис. 1 приведена принципиальная схема принципа испытания на наноиндентацию и сканирование отступа отрицательного электрода литиево-ионной батареи. При тестировании на индентор наносят нагрузку P, а индентор вдавливают в образец, а углубление оставляют на поверхности образца после разгрузки. 2 - типичная кривая нагрузки-смещения в испытании на наноиндентацию. Первое, что происходит на поверхности образца во время процесса загрузки, - это упругая деформация. По мере увеличения нагрузки пластическая деформация начинает появляться и постепенно возрастает. Процесс разгрузки - это в основном восстановление упругой деформации. Процесс и пластическая деформация в конечном итоге заставляют поверхность образца образовывать углубление. На рисунке hc - глубина контакта, ht - смещение при максимальной нагрузке, & epsilon - параметр инструмента, связанный с индентором. Как видно из рисунка 2, нагрузка постепенно увеличивается от 0 Увеличьте до максимальной нагрузки 30 мН, тогда нагрузка в основном уменьшается линейно. В это время наклон прямой линии представляет собой жесткость контакта образца. С. Твердость H может быть рассчитана путем измерения нагрузки на углубление P, площади поверхности вдавливания A и жесткости контакта S. И модуль упругости Е.
Рисунок 2 Типичная кривая нагрузки-смещения в тесте nanoindentation
Рисунок 3 - кривая нагрузки-смещения теста многонаделения для литиево-ионного аккумулятора (a) положительного электрода и (b) отрицательного электрода и модуля упругости, соответствующего (a) положительному электроду и (b) отрицательному электроду различной глубины углубления. Исследования показали, что Микроструктура и внутреннее напряжение внутри покрытия являются основными причинами изменения модуля упругости покрытия, когда толщина покрытия различна. Когда покрытие получено, чем толще покрытие, тем выше плотность и больше внутреннего напряжения, что приводит к покрытию теста. Чем выше модуль упругости слоя. Когда глубина проникновения мала, особенно когда поверхность образца является грубой, возникает значительный поверхностный эффект, что в основном обусловлено шероховатостью поверхности, которая возникает, главным образом, при начале испытания. Данные не являются реальными и разбросаны. Чтобы как можно меньше уменьшить шероховатость поверхности, рекомендуется, чтобы глубина углубления была не менее определенной длины, чтобы глубина углубления, вызванная шероховатостью поверхности, была относительно небольшой.
Рисунок 3 Литиево-ионная батарея (a) положительный электрод и (b) кривая нагрузки-смещения отрицательного электрода с множественным nanoindentation и (a) положительный электрод и (b) отрицательный электрод, соответствующий разным испытаниям глубины углубления
2, испытание на растяжение
Испытание на растяжение является методом испытания для определения свойств материала при осевой растягивающей нагрузке. Данные, полученные с помощью испытания на растяжение, могут определять предел упругости материала, удлинение, модуль упругости, предел пропорциональности, уменьшение площади, растяжение Прочность на растяжение, предел текучести, предел текучести и другие растягивающие свойства.
На рисунке 4 показан размер образца для испытаний на растяжение и прочное измерительное устройство для испытаний на растяжение для полюсных элементов ионно-литиевой батареи.
Рисунок 4 Характеристики образцов прочности на растяжение литиево-ионных аккумуляторов и прочное испытание на растяжение
На рисунке 5 показана кривая напряжения и деформации отрицательного электрода, испытания на растяжение положительного электрода и алюминиевой фольги ионно-литиевой батареи. Подобно типичной кривой деформации напряжения металлического материала, она обычно делится на следующие этапы:
1) Упругая фаза: напряжение и деформация в основном линейны. После разгрузки исходная длина может быть восстановлена. Кривая называется пределом текучести в точке, где деформация достигает 0,2%, а соответствующая прочность - предел текучести. В это время модуль упругости может быть рассчитан. E, наклон кривой.
2) Стадия выхода: напряжение остается в основном одинаковым, и напряжение значительно увеличивается.
3) Фаза усиления: эта фаза представляет собой фазу пластического упрочнения. Эта фаза не наблюдается в полюсе батареи. Пик напряжения, соответствующий f-точке, представляет собой прочность на растяжение.
4) Локальная стадия деформации: в это время образец будет шевелиться до тех пор, пока он не сломается.
Процесс растягивающего разрушения полюсной шестерни показан на рисунке 6.
Рисунок 5 (a, b) отрицательный электрод ионно-литиевой батареи, (c) положительный электрод и (d) кривая растяжения деформации алюминиевой фольги
На фиг. 6 приведена принципиальная схема процесса разрыва при растяжении полюса
На рис. 7 приведена кривая зависимости напряжений от (а) отрицательного электрода и (в) испытания на растяжение положительного электрода литиево-ионной батареи. На основании этих данных испытаний предполагается установление взаимосвязи полюсной части ионной батареи лития и применяется модель подгонки этих полюсных элементов. 2. При моделировании литиево-ионного аккумулятора изучите механические свойства батареи.
Рисунок 7 (a) отрицательный электрод и (c) кривая напряжения-растяжения положительного электрода литиево-ионной батареи и модельное установление условного элемента полюсной детали
3, испытание на сжатие
В механических испытаниях свойств металлических материалов механические свойства и соответствующие формулы расчета, определенные в испытании на растяжение, в основном применимы в испытании на сжатие. Однако, когда односторонняя нагрузка на сжатие применяется к образцу, напряженное состояние является мягким. Коэффициент значительно больше, чем предел прочности, так что некоторые материалы, которые проявляют хрупкий разрыв при испытаниях на растяжение (например, серого чугуна, керамики, аморфных сплавов и т. Д.), Могут проявлять определенную пластическую деформацию во время испытания на сжатие или показать выше Поэтому при изучении деформации и разрушения хрупких материалов часто используются испытания на сжатие, измеряются их прочность и пластичность.
При изучении модели конститутивной связи полюсной части ионной батареи лития для более полного понимания механических свойств полюсного элемента при растяжении полюсного наконечника полюсная деталь часто подвергается испытанию на сжатие, а фиг.8 представляет собой литиево-ионный аккумулятор. (a) Отрицательные и (c) кривые напряжений и деформаций для испытаний на положительное сжатие и модельное согласование конструктивных соотношений полюсных элементов. Постройте полярную конструктивную модель, основанную на экспериментальных экспериментальных данных о растяжении и сжатии полюсной детали, а затем модель Применяется для изучения поведения разрушения полюсных элементов в процессе сборки батареи. Результаты экспериментальных и симуляционных сравнений показаны на рисунке 9.
Рисунок 8: Литиево-ионный аккумулятор (a) отрицательный и (c) положительный предел деформации напряжения сжатия, а также модельное соответствие конструктивной связи полюса
Рис. 9 Экспериментальное и симуляционное исследование поведения трещины полюсной детали в процессе сборки батареи
4, испытание на изгиб
Испытание на изгиб имеет наибольшее поверхностное напряжение и может чутко отражать поверхностные дефекты материала. Его часто используют для изучения процесса упрочнения поверхности и свойств поверхности. На рисунке 9 показаны кривые отклонения нагрузки и записи в общем трехточечном испытании на изгиб. Значение напряжения, соответствующее пунктирной линии, представляет собой прочность на изгиб или прочность на изгиб материала.
Рис. 10. Принципиальная схема кривой отклонения нагрузки при испытаниях на изгиб
5, испытание на отслаивание
Сила отслаивания покрытия относится к силе, требуемой для отслаивания покрытия на единицу площади между покрытием и подложкой от поверхности соединения подложки. Это важный показатель для определения характеристик покрытия. Если прочность соединения слишком мала, он будет легким. Вызывает уменьшение срока службы покрытия, что приводит к раннему разрушению, и покрытие частично отслаивается, и пилинг не может использоваться.
Прочность на разрыв покрытия является предельной способностью покрытия выдерживать нормальное растягивающее напряжение, что является наиболее важным показателем для оценки прочности сцепления покрытия. Инструмент или оборудование для испытания используют для испытания образца на растягивающее усилие, перпендикулярное поверхности покрытия. , пока образец не отделится, то есть покрытие будет отслаиваться, регистрируется нагрузка во время повреждения, а прочность на растяжение покрытия получается путем деления значения нагрузки образца на площадь сечения.
В общем методе испытания полюсный элемент разделяется, двухсторонняя лента 3M-VHB с давлением, прикрепленная к поверхности электрода, а другая сторона прикреплена к пластине из нержавеющей стали, а пластина из нержавеющей стали и токосъемник закреплены на двух приборах растягивающего устройства, а затем Образец растягивается с определенной скоростью и подвергается испытанию на отслаивание на 180 градусов. Когда алюминиевый коллектор тока полностью отслаивается, обнаруживаемая сила является силой отслаивания. Принцип испытания показан на рисунке 11.
Рисунок 11 Принципиальная схема испытания на прочность на отрыв покрытия
1. Испытание на растяжение, испытание на сжатие, испытание на отслаивание, испытание на разрыв и испытание на изгиб и изгиб можно выполнить с помощью универсальной универсальной испытательной машины, управляемой микрокомпьютером.
6, тест на царапины
Рисунок 12 Принципиальная схема общей работы тестера царапин. Во время теста царапины стилус, выполненный из алмаза или другого твердого материала, линейно наносится на поверхность покрытия при постоянной или увеличивающейся нагрузке. , игла втягивается в покрытие, доходит до поверхности покрытия или проходит через покрытие к границе раздела подложки. Система покрытия и подложки будет вызывать сбои в сцеплении и адгезии. Контроль проводится непосредственно после теста царапин и микроскопического анализа после царапин. Данные дают полезную информацию о самом покрытии и системе покрытия-подложки.
На рис. 13 представлена сканирующая электронная микрофотография анода на основе кремния на двух разных процессах при разных нагрузках. Изучая экспериментальные данные теста на царапины, можно сравнить механическую стабильность отрицательной полюсной детали, а также определить продолжительность жизни и производительность батареи.
Рисунок 12 Принципиальная схема общей работы тестера царапин.
Рисунок 13 Сканирующая электронная микрофотография царапин анодов на основе кремния с двумя различными процессами при разных нагрузках
