Нанасяне на керамично покритие в литиева батерия

Литиево-йонните батерии имат изключителни предимства като високо напрежение, висок капацитет, малък размер, леко тегло, опазване на околната среда и дълъг живот. Те са широко използвани в различни преносими електронни продукти и електрически превозни средства. Все още обаче съществуват някои проблеми в безопасността на литиево-йонните батерии, особено техните проблеми с безопасността при условия като висока температура, надценка и късо съединение, които са се превърнали в технически проблеми, които трябва да бъдат преодолени, когато в голям мащаб се прилагат литиево-йонни батерии от електрически тип.

В момента много производители на литиеви батерии използват керамичен прах, за да стопят отрицателни парчета полюс или керамични сепаратори и други материали, свързани с "керамичния прах", за да се подобри безопасността на литиевите батерии. Всъщност керамичният прах не е "керамичен", а наноразмерни частици от алуминиев двуалуминиев триоксид. Нано-диалуминиев триоксид е един от специалните функционални наноматериали с важна стойност на приложението и перспективи за развитие. Той има серия от отлични характеристики като висока термична стабилност, химическа стабилност, устойчивост на корозия и висока твърдост. Той се използва широко в керамични материали и биологични материали. Медицински материали, полупроводникови материали, носители на катализатори, материали за повърхностно защита и оптични материали. Именно поради такава добра термична стабилност нано-алуминиите се счита за добър топлоизолиращ материал и се очаква да даде значителен принос за подобряване на безопасността на литиево-йонните батерии.

В момента нано-алуминия се използва главно за палта електроди или диафрагми за подобряване на безопасността на диафрагмата и намаляване на вътрешната скорост на късо съединение.

1. Анодно керамично покритие

Понастоящем керамичният прах обикновено се смесва със CMC и се разтваря в дейонизирана вода, за да се образува суспензия. След това суспензията се намазва върху полюса, а състоянието на полюса под SEM след изсушаване е показано на фигура 1. На фигурите (а) и (б) на фигура 1 е очевидно, че керамичното покритие е равномерно разпределено върху повърхността на отрицателния електрод под формата на частици. Ефектът на керамичното покритие върху характеристиките на литиевите батерии е както следва:

1. Фигура 1. SEM на два вида неоциркулирани отрицателни парчета

1. Керамичното покритие няма явна влияние върху капацитета на литиевата батерия;

2. Добавянето на керамичен прах ще увеличи вътрешното съпротивление на литиевата батерия. Това е така, защото основният компонент на керамичното покритие е Al2O3, което е непроводимо. Покритие керамични върху повърхността на негативния електрод материал ще попречи на пътя на електрони към отрицателен електрод, така че съпротивлението на тялото на батерията ще се увеличи;

3. Цикълът на работа на керамичната покривка е по-добра от тази на батерията без керамично покритие. Освен това чрез покритие керамичен прах върху повърхността на отрицателния електрод, чрез увеличаване на пасивирането на ефекта на отрицателната повърхност на електрод и повишаване на електронната изолация, влошаването на електрическата ефективност на батерията при условия на съхранение с висока температура може да бъде ефективно потисната. SEM анализ на полюсите на батерията след колоездене е показан на показаното изображение 2.

2. Фигура 2. SEM на отрицателен полюс след два цикъла

От фигурата може да се види, че повърхността на отрицателния електрод без керамично покритие е покрита със слой от фини частици, което се предполага, че е съединение, образувано чрез отлагане на литиевото в процеса на зареждане и разреждане, докато повърхността на керамичния покрит отрицателен електрод е относително гладка и керамична Равномерно разпределена върху повърхността на полюсната част. Може да се спекулира, че цикълът на работа на батерията е свързан с керамичното покритие. По време на цикъла на батерията, негативният SEI филм ще расте и ще стане по-дебел. Прекалено плътен SEI филм не само ще консумира повече литиеви йони, но също така ще доведе до литиево по време на зареждане. Йоните не могат да бъдат добре вложени в отрицателния електрод, а се утаят върху повърхността на отрицателния електрод или дори върху повърхността на сепаратора, което води до загуба на капацитет по време на цикъла. Покритие слой керамичен сепаратор върху повърхността на негативния електрод може да бъде в състояние ефективно да блокира растежа на негативния електрод SEI филм, като по този начин се намали загубата на литиеви йони по време на цикъла. В допълнение, електролитът ще продължи да се разлага по време на цикъла на батерията, а керамичното покритие има определена способност за абсорбиране на течности, което може да подобри скоростта на задържане на електролита по време на циклите на продължително зареждане и разреждане. Ето защо, керамичното покритие може да подобри работата на трите литиево-йонна батерия цикъл.

4. Безопасността на батериите с керамично покритие е по-висока от тази на батериите с не-керамично покритие. Две различни батерии са подложени на акупунктурни експерименти при същите експериментални условия и резултатите са показани на фигура 3.

3. На фигура 3. Акупунктура резултати на две батерии

От фигура 3 може да се види, че върховата температура на акупунктурата на керамичната батерия е 123°C. След изпитването, батерията се е леко подута без дим или експлозия; температурата на пиковите часове на акумулатора с некерамичен покритие е 410 °C. По време на изпитването, батерията експлодира и пушена, горния капак се счупи и изпитването се провали. Причината за това явление може да е свързана с керамичното покритие върху повърхността на отрицателния електрод. Тъй като иглите пробиват късо съединение в батерията, за кратко време ще се генерира голямо количество топлина, а керамичното покритие на негативната повърхност на електрод може да забави загубата на топлина по време на процеса на пробиване на иглата. Увеличава се рязко, като по този начин се забавя термичното разграждане на електролита и се избягва експлозията на батерията поради голямо количество газ, генериран за кратко време. Ето защо, керамичното покритие значително подобрява производителността на литиево-йонните батерии.

2. Керамична диафрагма

В момента изследователите подобряват производителността на батерията основно по отношение на положителни и отрицателни материали, сепаратори, електролити и дизайн на батерията. Сред тях керамичните сепаратори са ефективен начин за подобряване на производителността на батерията. Керамичните сепаратори не само могат да подобрят производителността на батерията, но и да подобрят производителността на цикъла на батерията и да намалят скоростта на саморазряда. Съществуват различни производствени методи за керамични диафрагми, като отлагане на химически пари и повърхностно покритие. Керамичната диафрагма може да подобри цикличния цикъл и показателите за безопасност на литиево-йонните батерии, но процесът на подготовка е трудно контролиран, а керамиката на диафрагмата също е склонна да падне по време на цикъла.

1. Морфологични разлики

Често използвани диафрагми на пазара са направени от PP, PE, или два вида композитна обработка. Въпреки че тези микропоръчнa полиолефини сепаратори имат отлична механична сила и химическа стабилност, тези сепаратори имат вътрешно напрежение по време на процеса на подготовка, и стресът се освобождава във висока температура среда, и сепаратора ще има очевиден ефект на топлинно свиване, което прави положителните и отрицателните електроди вътре в батерията Прекият контакт на материала причинява вътрешен късо съединение и сепараторът ще има очевиден ефект на термосвиване, което прави положителните и отрицателните електроди вътре в батерията Прекият контакт на материала причинява вътрешен късо съединение и сепараторът ще има очевиден ефект на термосвиваемост, което прави положителните и отрицателните електроди вътре в батерията Прекият контакт на материала причинява вътрешен късо съединение и се появява безопасност. Покритие на нано-алуминиеви частици на повърхността на сепаратора може ефективно да подобри безопасността на литиевите батерии. След разтваряне и смесване на керамичния прах с PVDF и NMP и равномерно разпръскване, машината за нанасяне на покрития се включва, за да покрие керамичния прах върху ДИАФРАГМАТА PE. Дебелината на керамичното покритие може да се контролира, а керамичната диафрагма се прави чрез сушене при 80° С за 24 часа. Микроморфологията на керамичната диафрагма е показана на фигура 4.

4. На фигура 4. Микроморфология на PE и керамична диафрагма

От фигурата може да се види, че покритите нано-A2О3 частици напълно покриват повърхността на pe мембраната, а между частиците има неравномерно разпределение на големи кухини. Наличието на тези големи кухини може да улесни вмъкването и екстракцията на Li+ и има добра течна абсорбция и ефективност на задържане на течности за електролита, така че да не влияе на зареждането и разреждането на литиевата батерия след покритието на покритието.

2. Степен на свиване на топлината

Керамичното покритие е полезно за подобряване на високата температурна устойчивост на диафрагмата. Поставете керамичната диафрагма и обикновената диафрагма в кутия при различни температури за 2 часа. Има голяма разлика в свиването между двата вида диафрагми. Резултатите от експеримента са показани на фигура 5.

5. На фигура 5. Свиване на диафрагмата с две степени при различни температури

Диафрагмата се свива при висока температура, защото диафрагмата има вътрешно напрежение поради сцепление и разтягане по време на процеса на подготовка. В среда с висока температура, движението на вътрешната молекулна верига на диафрагмата причинява освобождаването на стреса и свиване в голяма площ; Но диафрагмата с керамично покритие се свива при 140 морфологията на самата диафрагма, с изключение на промяната в цвета на диафрагмата при условие за печене на °C. Когато неорганичните покрития, покрити от двете страни на повърхността на диафрагмата, имат висока устойчивост на температура и топлоизолация, температурата на самата базова диафрагма се намалява, така че диафрагмата е при висока температура. Оригиналната форма остава в околната среда.

3. Керамичната диафрагма е полезна за подобряване на безопасността на батерията

6. На фигура 6. Връзката между вътрешното съпротивление и температурата на батерията, сглобена с два вида диафрагми

Репараторът се свива в голяма площ, когато температурата е по-висока от точката на топене, така че положителните и отрицателните полюсни части вътре в батерията директно да се доплитат и да предизвикат вътрешен късо съединение. Следователно, вътрешното съпротивление на измерената батерия намалява бързо; въпреки това, за покритие сепаратор дори при 150 морфологията на самия сепаратор няма да се промени при печено на °C, така че няма да има късо съединение вътре в батерията, което прави вътрешното съпротивление на батерията все още се увеличава. PE сепаратор ще загуби своята механична стабилност при висока температура среда, което ще доведе до директен контакт между положителните и отрицателните електроди вътре в батерията и да предизвика късо съединение. Сепараторът за керамични покрития има висока температурна устойчивост, за да предотврати ефективно късо съединение в акумулатора и да подобри безопасността на батерията.

4. Въздействието на керамичната диафрагма върху живота на батерията

Литиево-йонна батерия сепаратор не само изолира положителните и отрицателните полюс парчета вътре в батерията, но също така трябва да има добра йонна пропускливост. Тъй като неорганичното покритие на сепаратора ще увеличи дебелината на сепаратора, което може да повлияе на йонната проводимост. Но експериментът доказва (Фигура 7), влиянието му е по-слабо, но диафрагмата с керамично покритие има по-добра производителност цикъл.

7. Сравнение на производителността на цикъл на два вида батерии за диафрагма

PP/PE сепараторите са неполярни, с хидрофобна повърхност и ниска повърхностна енергия. Трудно е да се намокри и поддържа полярни органични електролити като етилен карбонат и пропилен карбонат, което пряко влияе върху цикличната ефективност и използването на акумулатора. Живот, докато повърхността на неорганична керамика е хидрофилна поради наличието на хидроксилни групи, неговото въвеждане може значително да подобри способността за овлажняване и задържане на диафрагмата или електрода на електролита, и значително подобряване на работата на цикъла на батерията. В същото време частиците на нанолу alumina имат голяма специфична повърхност, която може да подобри колебаемостта и задържането на течности на електролита към полюсните парчета и също така е благоприятна за живота на цикъла на батерията.

за да обобщите:

В обобщение, керамичните покрития оказват важно влияние върху характеристиките на литиево-йонните батерии, особено върху безопасността на литиевите батерии. Керамиката на повърхността на електрода и диафрагмата може не само значително да намали вътрешната скорост на късо съединение на батерията и да подобри безопасността, но и да подобри електролита wettability на електрода и диафрагмата, намаляване на поляризация, и подобряване на цялостната работа на батерията. Ето защо, прилагането на керамични покрития е неизбежна тенденция в развитието на литиево-йонни батерии в бъдеще.