Cuando la fuente de alimentación externa carga la batería de iones de litio, el electrón e en el electrodo positivo pasa al electrodo negativo a través del circuito externo, y el ion de litio Li + 'salta al electrolito desde el interior de la partícula de material activo del electrodo positivo,' arrastrándose sobre el pequeño diámetro del diafragma. Los poros, "nadar" alcanzan el polo negativo y se combinan con los electrones que ya han corrido, entrando en el interior de las partículas de material activo negativo. Si el electrodo negativo no acepta la posición de los iones de litio, los iones de litio precipitarán en la superficie del electrodo negativo, formando dendritas de litio, perforando El diafragma, que causa un cortocircuito dentro de la batería, provoca un desbordamiento térmico. Por lo tanto, en el diseño de una batería de litio, el electrodo negativo a menudo debe diseñarse en exceso para evitar tal situación, incluidos dos aspectos:
(1) El diseño N / P, es decir, la relación de la capacidad del electrodo negativo por unidad de área con respecto a la capacidad del electrodo positivo, la relación NP generalmente está entre 1.1 y 1.5, asegurando que el electrodo negativo tenga un cierto exceso para evitar la precipitación de dendritas de litio, y no se requiere la relación NP. Consideraciones de diseño del sistema.
(2) Diseño de voladizo, Sobresuelo se refiere a la parte de la pieza polar negativa que tiene más longitud y anchura que las piezas polares positivas y negativas.
El diseño de los dos aspectos anteriores del exceso de electrodo negativo debe tener en cuenta la capacidad de ingeniería de fabricación de la batería, como la precisión de la densidad de la superficie del revestimiento, la precisión del tamaño de la pieza polar, la precisión del conjunto de la celda, etc., en el rango de precisión de la producción. En términos de costo, el exceso de ánodo debe ser lo más bajo posible. Sin embargo, la situación real es particularmente complicada. El diseño N / P y el diseño de voladizo deben considerar varios factores.
Entonces, ¿qué impacto tiene el diseño Overhang en el rendimiento de las baterías de iones de litio? Tim Daggera de la Universidad de Münster en Alemania hizo un experimento especial para estudiar este problema.
Figura 1 esquema de diseño de voladizo diferente
La Figura 1 muestra los diferentes diseños de voladizo. Luego, de acuerdo con el procedimiento de la Tabla 1, las baterías anteriores se someten a un ciclo de prueba. Luego, la prueba ICP se realiza en las piezas polares en diferentes etapas para estudiar la distribución de la concentración de litio de las hojas de electrodos negativos. La SD en la Tabla 1 indica que la CCCV está cargada. Para 120h el experimento de descarga automática de la batería, dcv significa descarga de corriente constante y luego realiza una prueba de descarga de voltaje constante de 0.05C.
Tabla 1 procedimiento de prueba de ciclo de batería
La figura 2 muestra el efecto del diseño Overhang sobre el primer efecto y la capacidad de la batería. A medida que aumenta el área de exceso del electrodo negativo, el primer efecto de la batería disminuye y la capacidad de la batería disminuye gradualmente. Durante el proceso de carga, parte de los iones de litio se difunden hacia la región de exceso del electrodo negativo. Como resultado, se reducen el primer efecto y la capacidad. Después de la séptima carga, la autodescarga se deja reposar durante 120 horas, la capacidad de la batería se reduce aún más y, a medida que aumenta el área de exceso del electrodo negativo, aumenta la pérdida de capacidad de autodescarga. Se puede restaurar de nuevo, cuando el área de exceso del electrodo negativo es relativamente grande, el número de ciclos de recuperación de capacidad es mayor, como se muestra en la Figura 3.
Figura 2 Efecto del diseño de voladizo en la eficiencia y capacidad de la batería
Figura 3 El impacto de SD y dcv en diferentes diseños de voladizo
El proceso anterior se acompaña de la autodifusión de los iones de litio. Como se muestra en la Fig. 4, el experimento estático de autodescarga después de la carga, el ión de litio de la pieza del electrodo negativo se auto-difunde, y la distribución uniforme se encuentra en toda el área de la pieza del electrodo negativo, que también incluye el área de voladizo. Parte del ion litio se difunde desde la región de solapamiento del electrodo positivo a la región saliente, y el ion litio en la región saliente permanece en el electrodo negativo después de la descarga, lo que reduce la capacidad de descarga. En el ciclo posterior, algunos iones de litio residuales en la región saliente se difunden a la región solapada con el electrodo positivo. Función, recuperación de capacidad, como se muestra en la Figura 3, la capacidad de descarga después del 8º ciclo es mayor que la capacidad de carga.
Figura 4: Distribución de la concentración de litio de la hoja del electrodo negativo: (a) diagrama esquemático de la pieza polar, (b) estado de carga después del séptimo ciclo (después del experimento de autodescarga), (c) estado de descarga después del séptimo ciclo, (d) descarga del ciclo subsiguiente Estado
Con el fin de acelerar la difusión de iones de litio residuales en la región saliente hacia la región superpuesta, se agrega una pequeña descarga de voltaje de corriente constante después de 20 ciclos de descarga. Bajo la acción del campo eléctrico, los iones litio en la región saliente aceleran hacia la región superpuesta, como se muestra en la Fig. 3. Después de eso, la recuperación de la capacidad es más obvia, y cuanto mayor sea el área del área saliente, mayor será la recuperación de la capacidad.
Tabla 2 Concentración de litio en la región saliente en diferentes estados
Para confirmar las conclusiones anteriores, los autores realizaron una prueba ICP para probar la concentración de litio en la región saliente del electrodo negativo, como se muestra en la Tabla 2. La concentración de litio después de la descarga de cc fue de 0,81 mg, si se dejó reposar durante 120 h después de la carga, luego se colocó el cc en la región sobresaliente. Es de 0,98 mg, lo que indica que el litio se difunde desde la región de solapamiento a la región saliente, y permanece en esta región después de la descarga. Si la concentración de litio en la región saliente se reduce después de la descarga, la difusión de litio de vuelta a la región de solapamiento desempeña un papel, y la concentración de litio se detalla Se muestra 5.
Figura 5: Distribución de la concentración de litio de la hoja del electrodo negativo: (a) sin circular, (b) estado de descarga después del sexto ciclo (sin autodescarga), (c) estado de descarga después del séptimo ciclo (después del experimento de autodescarga), (d El estado de descarga después del vigésimo ciclo (después del experimento de descarga de voltaje constante)
Conclusión: El saliente afectará el rendimiento electroquímico de la batería. Los electrodos positivos y negativos están completamente superpuestos. El diseño de la batería sin voladizo tiene el mejor rendimiento. Sin embargo, debido a la precisión de ingeniería, la batería es propensa al litio. La pérdida de capacidad residual, especialmente si se almacena durante mucho tiempo en el estado de carga, es más obvia. Después de la descarga, una pequeña descarga de corriente y voltaje constante puede hacer que los iones de litio residuales en el área saliente se difundan hacia el área de solapamiento.
