La pieza polar de la batería de iones de litio es un material compuesto de tres capas compuesto por un revestimiento de electrodo y una lámina colectora de corriente, es decir, un revestimiento compuesto de partículas, recubierto uniformemente en ambos lados del colector de corriente de metal, y compuesto principalmente de cuatro partes: 1) partículas de material activo; (2) una fase conductora y un aglutinante mezclados entre sí (fase de carbono); (3) poros, llenos de electrolito; (4) colector de corriente de lámina metálica.
La estabilidad mecánica de la pieza polar tiene un efecto importante en la batería, especialmente como un ánodo basado en silicio. Al insertar y extraer litio durante el ciclo de carga / descarga, el cambio de volumen alcanza el 270% y la vida útil es pobre. Esta expansión de volumen hace que las partículas de silicio se pulvericen. Y el revestimiento se separa del colector de corriente de cobre.
Un método importante para determinar la vida útil y el rendimiento esperados de un recubrimiento activo es examinar la resistencia de la unión del recubrimiento y el análisis del fracaso del recubrimiento. El fallo del recubrimiento incluye el desprendimiento del recubrimiento del sustrato, que puede ser debido a problemas mecánicos o térmicos. Estrés, estrés electroquímico, etc. La separación del material de recubrimiento se puede manifestar de muchas formas diferentes: agrietamiento, deslaminación, desprendimiento, astillado o deformación plástica. Compruebe la adherencia del recubrimiento y el análisis de falla del recubrimiento. Un método confiable y práctico para cuantificar la fuerza de adhesión entre el recubrimiento y el sustrato y caracterizar el mecanismo de falla es información importante para prevenir o detener la falla de adherencia. Comprender este conocimiento puede ayudar a mejorar la calidad y el rendimiento del recubrimiento en general.
La adherencia real es la carga que debe aplicarse para separar el recubrimiento del sustrato. La adherencia real puede verse afectada por muchos factores, como el espesor del recubrimiento, la rugosidad del substrato, las propiedades mecánicas del recubrimiento y los resultados químicos de la superficie del substrato. Impacto. La medición de la adherencia real también puede verse afectada por el método de prueba. Los métodos más comunes incluyen prueba de pelado, prueba de flexión, prueba de rayado y prueba de indentación.
Este artículo resume brevemente los métodos de prueba para las propiedades mecánicas de las piezas polares de la batería de litio. Debido al nivel personal limitado, los errores en el texto son bienvenidos para criticar y corregir, y puede dejar un mensaje.
1, nanoindentación
La tecnología de nanoindentación, también conocida como indentación por detección de profundidad (DSI), es uno de los métodos más simples para probar las propiedades mecánicas de los materiales. Puede medir varias propiedades mecánicas de los materiales a nanoescala, como las curvas de desplazamiento de carga. , módulo de elasticidad, dureza, tenacidad a la fractura, efecto de endurecimiento por deformación, comportamiento viscoelástico o de fluencia, etc. El siguiente video es el principio básico de la nanoindentación.
Figura 1 (a) Diagrama esquemático de la prueba de nanoindentación; (b, c) Foto de escaneo de sangría de pieza polar negativa
La Figura 1 es un diagrama esquemático del principio de prueba de nanoindentación y una exploración de la indentación del electrodo negativo de una batería de ión de litio. Cuando se realiza la prueba, se aplica una carga P al indentador, y el indentador se presiona en la muestra y la sangría se deja en la superficie de la muestra después de la descarga. 2 es la curva de carga-desplazamiento típica en la prueba de nanoindentación. Lo primero que ocurre en la superficie de la muestra durante el proceso de carga es la deformación elástica. A medida que aumenta la carga, la deformación plástica comienza a aparecer y aumenta gradualmente. El proceso de descarga es principalmente la recuperación de la deformación elástica. El proceso y la deformación plástica eventualmente hacen que la superficie de la muestra forme una muesca. En la figura, hc es la profundidad de contacto, ht es el desplazamiento a la carga máxima, y epsilon; es el parámetro del instrumento relacionado con el indentador. Como se puede ver en la Figura 2, la carga aumenta gradualmente desde 0 Aumente a la carga máxima de 30 mN, luego la carga básicamente disminuye linealmente. En este momento, la pendiente de la línea recta es la rigidez de contacto de la muestra. S. La dureza H puede calcularse midiendo la carga de indentación P, el área de superficie de indentación A y la rigidez de contacto S. Y módulo de elasticidad E.
Figura 2 Curva de carga-desplazamiento típica en la prueba de nanoindentación
La Figura 3 es la curva de carga-desplazamiento de la prueba de nanoindentación múltiple para la batería de ión de litio (a) electrodo positivo y (b) electrodo negativo, y el módulo de elasticidad correspondiente a (a) electrodo positivo y (b) electrodo negativo prueba de profundidad de sangría diferente. La microestructura y la tensión interna dentro del recubrimiento son las razones principales para el cambio del módulo elástico del recubrimiento cuando el espesor del recubrimiento es diferente. Cuando se prepara el recubrimiento, cuanto más grueso es el recubrimiento, mayor es la densidad y mayor la tensión interna, lo que da como resultado el recubrimiento del ensayo. Cuanto mayor es el módulo de elasticidad de la capa, cuando la profundidad de penetración es pequeña, especialmente cuando la superficie de la muestra es áspera, se produce un efecto de superficie significativo. Esto se debe principalmente a la rugosidad de la superficie, que es principalmente cuando se inicia la prueba. Los datos no son reales y están dispersos. Para reducir la influencia de la rugosidad de la superficie tanto como sea posible, se recomienda que la profundidad de la muesca no sea menor que una cierta longitud para asegurar que la profundidad de la sangría causada por la rugosidad de la superficie sea relativamente pequeña.
Figura 3 Batería de iones de litio (a) electrodo positivo y (b) electrodo negativo prueba de nanoindentación múltiple curva de carga-desplazamiento, y (a) electrodo positivo y (b) electrodo negativo correspondiente a diferentes pruebas de profundidad de indentación
2, prueba de tracción
La prueba de tracción es un método de prueba para determinar las propiedades del material bajo carga de tracción axial. Los datos obtenidos mediante la prueba de tracción pueden determinar el límite elástico del material, elongación, el módulo de elasticidad, el límite proporcional, la reducción de área, la tracción Resistencia a la tracción, punto de elasticidad, resistencia al rendimiento y otras propiedades de tracción.
La Figura 4 es un tamaño de muestra de prueba de tracción y un accesorio de prueba de tracción simple para piezas polares de batería de ion litio.
Figura 4 Especificaciones de la muestra de la prueba de tracción de la pieza polar de la batería de iones de litio y un accesorio de prueba de tracción simple
La Figura 5 es una curva de tensión-tensión del electrodo negativo, electrodo positivo y prueba de tracción de la lámina de aluminio de una batería de ión litio. Similar a la típica curva de tensión-tensión de un material metálico, generalmente se divide en las siguientes etapas:
1) Fase elástica: la tensión y la tensión son básicamente lineales. Después de la descarga, se puede restaurar la longitud original. La curva se denomina punto de elasticidad en el punto donde la deformación alcanza el 0,2%, y la resistencia correspondiente es la resistencia de elasticidad. En este momento, se puede calcular el módulo elástico. E, la pendiente de la curva.
2) Etapa de rendimiento: la tensión permanece básicamente igual, y la tensión aumenta significativamente.
3) Fase de fortalecimiento: esta fase es la fase de endurecimiento de plástico. Esta fase no se observa en la pieza de polo de la batería. El pico de tensión correspondiente al punto f es la resistencia a la tracción.
4) Etapa de deformación local: en este momento, la muestra tendrá cuello hasta que se rompa.
El proceso de fractura por tracción de la pieza polar se muestra en la Figura 6.
Figura 5 (a, b) electrodo negativo de la batería de iones de litio, (c) electrodo positivo y (d) curva de esfuerzo-tensión de la prueba de tracción del papel de aluminio
Figura 6 Diagrama esquemático del proceso de fractura por tracción de la pieza polar.
La figura 7 es una curva de tensión-tensión del (a) electrodo negativo y (c) prueba de tracción del electrodo positivo de una batería de ión litio. Sobre la base de estos datos de prueba, se deduce la relación constitutiva de la pieza polar de la batería de ión litio y se aplica el modelo de ajuste de estas piezas polares. 2. En el cálculo de simulación de la batería de iones de litio, estudie las propiedades mecánicas de la batería.
Fig. 7 (a) electrodo negativo y (c) electrodo positivo tensión-tensión curva de la batería de iones de litio y modelo de ajuste de la relación constitutiva de la pieza polar
3, prueba de compresion
En la prueba de propiedades mecánicas de los materiales metálicos, las propiedades mecánicas y las fórmulas de cálculo correspondientes definidas en la prueba de tracción son básicamente aplicables en la prueba de compresión. Sin embargo, cuando se aplica una carga de compresión uniaxial a la muestra, el estado de tensión es suave. El coeficiente es significativamente mayor que el estado de tracción, por lo que algunos materiales que exhiben fractura frágil en pruebas de tracción (como fundición gris, cerámica, aleaciones amorfas, etc.) pueden exhibir cierta deformación plástica durante la prueba de compresión, o mostrar mayor Fuerza. Por lo tanto, en el estudio del comportamiento de deformación y fractura de los materiales frágiles, a menudo se usan pruebas de compresión, y se miden su fuerza y plasticidad.
En el estudio del modelo de relación constitutiva de la pieza de polo de la batería de ión de litio, para comprender mejor las propiedades mecánicas de la pieza de polo, mientras se estira la pieza de polo, la pieza de polo se somete a menudo a una prueba de compresión, y la Figura 8 es una batería de ión de litio. (a) Negativas y (c) curvas de tensión-deformación para pruebas de compresión positiva y ajuste de modelos de relaciones constitutivas de piezas polares. Construya un modelo constitutivo polar basado en los datos de prueba experimental de tracción y compresión de la pieza polar, y luego modele Se aplica para estudiar el comportamiento de la fractura de la pieza polar en el proceso de ensamblaje de la batería. Los resultados de comparación de simulación y experimental se muestran en la Fig. 9.
Figura 8: Batería de iones de litio (a) negativa y (c) prueba de compresión curva de tensión-deformación, y ajuste del modelo de la relación constitutiva de la pieza polar
Fig. 9 Estudio experimental y de simulación sobre el comportamiento de fractura de la pieza polar en el proceso de ensamblaje de la batería.
4, prueba de flexión
La prueba de flexión tiene el mayor esfuerzo superficial y puede reflejar con sensibilidad los defectos de la superficie del material. A menudo se utiliza para estudiar el proceso de fortalecimiento de la superficie y las propiedades de la superficie. La Figura 9 muestra la carga y el registro de las curvas de desviación de la carga de la prueba de flexión común de tres puntos. El valor de tensión correspondiente a la línea de puntos es la resistencia a la flexión o la resistencia a la flexión del material.
Figura 10 Diagrama esquemático de la curva de desviación de carga de la carga y el registro de la prueba de flexión
5, prueba de peeling
La resistencia al desprendimiento del recubrimiento se refiere a la fuerza requerida para despegar el recubrimiento por unidad de área entre el recubrimiento y el sustrato de la superficie de unión del sustrato. Es un indicador importante para detectar el rendimiento del recubrimiento. Si la resistencia de unión es demasiado pequeña, será ligera. Causa que la vida útil del recubrimiento disminuya, lo que resulta en una falla temprana, y el recubrimiento se despega parcialmente, y el pelado no se puede usar.
La resistencia a la tracción del recubrimiento es la capacidad definitiva del recubrimiento para resistir la tensión de tracción normal, que es el indicador más importante para evaluar la resistencia de unión del recubrimiento. La herramienta o equipo de prueba se utiliza para someter la muestra a la fuerza de tracción perpendicular a la superficie del recubrimiento. hasta que la muestra se separa, es decir, el recubrimiento se despega, se registra la carga en el momento del daño y la resistencia a la tracción del recubrimiento se obtiene al dividir el valor de carga de la muestra por el área de la sección.
En el método de prueba general, la pieza polar se divide, la cinta de doble cara 3M-VHB sensible a la presión se une a la superficie del electrodo, y el otro lado se une a la placa de acero inoxidable, y la placa de acero inoxidable y el colector de corriente se fijan en los dos accesorios del dispositivo de estiramiento, y luego La muestra se estira a una cierta velocidad y se somete a una prueba de pelado de 180 grados. Cuando el colector de corriente de aluminio se despega completamente, la fuerza detectada es la fuerza de pelado. El principio de prueba se muestra en la Fig. 11.
Figura 11 Diagrama esquemático de la prueba de resistencia al pelado del revestimiento.
1. La prueba de tracción, la prueba de compresión, la prueba de pelado, la prueba de rasgado y la prueba de cizallamiento y flexión se pueden llevar a cabo utilizando la máquina de prueba universal electrónica controlada por microordenador.
6, prueba de rayado
Figura 12 Diagrama esquemático de la operación general del probador de rayado. Durante la prueba de rayado, el lápiz de diamante u otro material duro se describe linealmente a lo largo de la superficie del recubrimiento mientras se aplica una carga constante o creciente. , la aguja se introduce en el recubrimiento, llega a la interfaz del recubrimiento o pasa a través del recubrimiento a la interfaz del sustrato. El sistema de recubrimiento y sustrato causará fallas de cohesión y adhesión. La inspección se obtiene directamente de la prueba de rayado y del análisis microscópico después del rayado. Los datos proporcionan información útil sobre el propio recubrimiento y el sistema de sustrato de recubrimiento.
La Figura 13 es una micrografía electrónica de barrido de un ánodo basado en silicio de dos procesos diferentes bajo cargas diferentes. Al estudiar los datos experimentales de la prueba de rayado, se puede comparar la estabilidad mecánica de la pieza polar negativa, y se infieren la vida útil y el rendimiento de la batería.
Figura 12 Diagrama esquemático del funcionamiento general del comprobador de rayado.
Figura 13 Micrografía electrónica de barrido de rasguños de ánodos basados en silicio con dos procesos diferentes bajo cargas diferentes
