Задълбочен анализ на причините за влошаване на живота на батерията NCM811

Тройният материал никел-кобалт-манган е един от основните материали на настоящите батерии. Трите елемента имат различно значение за катодни материали. Сред тях никелът е да увеличи капацитета на батерията. Колкото по-високо е съдържанието на никел, толкова по-голям е специфичният капацитет на материала. Специфичният капацитет на NCM811 може да достигне 200mAh / g, разтоварващата платформа е около 3.8V и може да се превърне в батерия с висока енергийна плътност. Проблемът с батерията NCM811 обаче е, че има лоша безопасност и бърз цикъл на живот. Какви са причините, които оказват влияние върху живота и безопасността на неговия цикъл? Как да решим този проблем? Ето задълбочен анализ:

Направете NCM811 в батерия с бутони (NCM811 / Li) и мека батерия (NCM811 / графит) и тествайте съответно капацитета й за грам и пълния капацитет на батерията. Разделете акумулаторните батерии на 4 групи за експерименти с един фактор, променливата на параметъра е граничното напрежение и неговите стойности са 4.1V, 4.2V, 4.3V, 4.4V. Първо, батерията се задейства два пъти със скорост от 0,05 ° С и след това се задейства при 30 ° С със скорост от 0,2 ° С. След 200 цикъла кривата на цикъла на меката батерия е показана на фигурата по-долу:

От фигурата може да се види, че при условие на по-високо напрежение на изключване, грамовият капацитет на активното вещество и капацитетът на батерията са високи, но грамовият капацитет на батерията и материала се разпада по-бързо. Напротив, при по-ниско гранично напрежение (под 4.2V), капацитетът на батерията намалява бавно и животът на цикъла е по-дълъг.

Този експеримент използва изотермична технология на калориметрия за изследване на паразитни реакции и използва XRD и SEM in-situ и ex-situ за изследване на структурното и морфологично разграждане на катодни материали по време на колоездене. заключение, както е показано по-долу:

1. Структурните промени не са основната причина за намаляване на живота на батерията

Резултатите от ex-situ XRD и SEM данни показват, че нециклираните полюсни части на батерията и батерията с прекъснати напрежения съответно 4.1V, 4.2V, 4.3V и 4.4V, след като са били циклирани при 0.2C за 200 пъти, морфологията на частиците и атомната Няма очевидна разлика в структурата. Следователно бързата структурна промяна на активния материал по време на зареждане и разреждане не е основната причина за влошаването на живота на батерията. Напротив, паразитната реакция между електролита и интерфейса на високоактивните частици от активен материал в състояние на делитиране е основната причина за съкратения живот на батерията при 4.2V цикъл на високо напрежение.

(1) SEM

a1 и a2 са SEM снимките на батерията без циклиране. b ~ e са SEM изображенията на положителния активен материал след цикъл от 200 цикъла при условие от 0,5 ° С, а напрежението на изключване на заряда е 4,1 V / 4,2 V / 4,3 V / 4,4 V. Лявата страна е с ниско увеличение, а дясната страна е с голямо увеличение. Изтеглете снимката на електронния микроскоп. От горната фигура може да се види, че няма съществена разлика в морфологията на частиците и степента на фрагментация между рециклираната батерия и нециклираната батерия.

(2) XRD

Както се вижда от горната фигура, няма очевидна разлика между петте по отношение на формата и позицията на върха.

(3) Промени в параметрите на решетката

Както може да се види от таблицата, следните точки:

1). Константата на решетката на нециркулирания полюс е в съответствие с тази на праха от активен материал NCM811. Когато напрежението на прекъсване на цикъла е 4.1V, неговата решетъчна константа също не се различава от предишните две, а оста c има малко увеличение. Разглеждайки константите на решетката на оста c с напрежение на прекъсване на цикъла 4.2V, 4.3V и 4.4V, няма значителна разлика от 4.1V (разликата е 0,004 ангстрема), докато данните по оста а са доста различен.

2). Няма значителна промяна в съдържанието на Ni в петте групи сравнителни тестове.

3). Полюсът с циклично напрежение от 4,1 V при 44,5 ° показва по-голяма FWHM, докато другите групи за сравнение са по-близо.

По време на процеса на зареждане и разреждане на батерията, оста c показва голямо свиване и разширяване. При високо напрежение намаляването на живота на батерията не се дължи на промени в структурата на живия материал. Следователно горните три точки потвърждават, че структурните промени не са основната причина за влошаването на живота на батерията.

2. Животът на цикъла на батерията NCM811 е свързан с паразитната реакция в батерията

NCM811 и графитът се правят в меки батерии и те използват различни електролити. Двете групи сравнителни експериментални електролитни батерии бяха добавени с 2% VC и PES211, но степента на поддържане на капацитета на батерията след колоездене показа голяма разлика.

Както се вижда от горната фигура, когато граничното напрежение на батерията с 2% VC е 4.1V, 4.2V, 4.3V, 4.4V, степента на задържане на капацитета на батерията след 70 цикъла е 98%, 98 %, 91%, 88%, съответно. В батерията с добавен PES211 степента на задържане на капацитета е спаднала до 91%, 82%, 82%, 74% само след 40 цикъла. Важното е: В предишния експеримент жизненият цикъл на системите NCM424 / графит и NCM111 / графит с PES211 беше по-добър от този с 2% VC. Това води до хипотезата, че в системите с високо съдържание на никел електролитните добавки имат голямо влияние върху живота на батерията.

От горните данни може да се види също, че животът на цикъла при високо напрежение е много по-лош от този при ниско напрежение. Чрез приспособяване на функциите към поляризация, △ V и броя на циклите се получава следната фигура:

Вижда се, че ΔV на батерията е малка, когато батерията се циклира при ниско прекъсващо напрежение, а когато напрежението се повиши над 4.3V, ΔV рязко се повишава и поляризацията на батерията се увеличава, което значително влияе върху живота . От фигурата може да се види също, че ΔV скоростите на промяна на VC и PES211 са различни, което допълнително потвърждава, че електролитните добавки са различни, а степента на поляризация и скоростта на батерията също са различни.

Използвайте метода на изотермичната микрокалориметрия, за да анализирате вероятността от паразитна реакция на батерията и да установите функционална връзка с rSOC чрез извличане на параметри като поляризация, ентропия и паразитен топлинен поток, както е показано на следващата фигура:

Фигурата показва, че над напрежението 4.2V паразитният топлинен поток внезапно се повишава. Това е така, защото повърхността на положителния електрод, която е силно делитирана под високо напрежение, много лесно реагира с електролита. Това също обяснява защо колкото по-високо е напрежението на заряда и разреждането, толкова по-бързо спада степента на задържане на капацитета на батерията.

3. NCM811 има лоша сигурност

При условие на непрекъснато повишаване на околната температура, активността на NCM811, реагираща с електролита в заредено състояние, е много по-голяма от активността на NCM111, реагираща с електролита. Поради това е по-трудно батериите, произведени от NCM811, да преминат задължително национално сертифициране.

Тази цифра е графика на скоростта на самозагряване на NCM811 и NCM111 между 70 ° C и 350 ° C. Фигурата показва, че при около 105 ° C, NCM811 започва да генерира топлина, но NCM111 все още не е започнал да генерира топлина до 200 ° C. NCM811 започва при 200 ° C и има скорост на нагряване от 1 ° C / min, докато NCM111 все още е 0,05 ° C / min. Това също означава, че за NCM811 / графитните батерии е трудно да преминат задължително сертифициране за безопасност.

Високо никелевият активен материал неизбежно ще бъде основният материал за батерии с висока енергийна плътност в бъдеще. Как да решим проблема с бързото разпадане на живота на батерията NCM811? Единият е да се подобри работата на NCM811 чрез модифициране на повърхността на частиците. Второто е да се използва електролит, който може да намали паразитната реакция между двамата, като по този начин подобри живота и безопасността на цикъла му.