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Révéler le mystère : la super capacité théorique des batteries lithium-ion

29 Nov, 2023

By hoppt

Pourquoi la batterie au lithium existe-t-elle un phénomène de capacité super théorique

Dans les batteries lithium-ion (LIB), de nombreuses électrodes à base d’oxydes de métaux de transition présentent une capacité de stockage inhabituellement élevée, au-delà de leur valeur théorique. Bien que ce phénomène ait été largement rapporté, les mécanismes physico-chimiques sous-jacents à ces matériaux restent flous et restent sujet à débat.

Profil des résultats

Récemment, le professeur Miao Guoxing de l'Université de Waterloo, Canada, le professeur Yu Guihua de l'Université du Texas à Austin, ainsi que Li Hongsen et Li Qiang de l'Université de Qingdao ont publié conjointement un document de recherche sur les matériaux naturels sous le titre « Capacité de stockage supplémentaire dans batteries lithium-ion à oxyde de métal de transition révélées par magnétométrie in situ". Dans ce travail, les auteurs ont utilisé la surveillance magnétique in situ pour démontrer la présence d'une forte capacité de surface sur les nanoparticules métalliques et qu'un grand nombre d'électrons polarisés en spin peuvent être stockés dans des nanoparticules métalliques déjà réduites, ce qui est cohérent avec le mécanisme de charge spatiale. En outre, le mécanisme de charge spatiale révélé peut être étendu à d’autres composés de métaux de transition, fournissant ainsi un guide clé pour la mise en place de systèmes avancés de stockage d’énergie.

Points saillants de la recherche

(1) Un Fe typique a été étudié en utilisant la technique de surveillance magnétique in situ3O4/ Evolution de la structure électronique à l'intérieur de la batterie Li ;

(2) révèle que le Fe3O4Dans le système /Li, la capacité de charge de surface est la principale source de capacité supplémentaire ;

(3) Le mécanisme de capacité de surface des nanoparticules métalliques peut être étendu à une large gamme de composés de métaux de transition.

Texte et guide de texte

  1. Caractérisation structurale et propriétés électrochimiques

Le Fe creux monodispersé a été synthétisé par des méthodes hydrothermales conventionnelles 3O4Nanosphères, puis effectué à 100 mAg−1Charge et décharge à densité de courant (Figure 1a), la première capacité de décharge est de 1718 mAh g−1, 1370 mAhg dans la deuxième et la troisième fois, respectivement− 1Et 1,364 1 mAhg−926, bien au-dessus de 1 mAhg−1La théorie des attentes. Les images BF-STEM du produit entièrement déchargé (Figure 3b-c) indiquent qu'après réduction du lithium, les nanosphères Fe4O1 ont été converties en nanoparticules de Fe plus petites mesurant environ 3 à 2 nm, dispersées au centre de LiXNUMXO.

Pour démontrer le changement de magnétisme au cours du cycle électrochimique, une courbe de magnétisation après décharge complète à 0.01 V a été obtenue (Figure 1d), montrant le comportement superparamagnétique dû à la formation de nanoparticules.

Figure 1 (a) à 100 mAg−1Fe du cyclage à la densité de courant 3O4/ Courbe de charge et de décharge à courant constant de la batterie Li ; (b) entièrement au lithium Fe3O4L'image BF-STEM de l'électrode ; (c) la présence de Li dans l'agrégat2Images BF-STEM haute résolution d'O et de Fe ; (d) Fe3O4Les courbes d'hystérésis de l'électrode avant (noir) et après (bleu), et la courbe ajustée de Langevin de cette dernière (violet).

  1. Détection en temps réel de l'évolution structurelle et magnétique

Afin de combiner l'électrochimie avec le Fe3O4Of, les changements structurels et magnétiques liés au Fe3O4, les électrodes ont été soumises à une diffraction des rayons X (DRX) in situ et à une surveillance magnétique in situ. Fe dans une série de diagrammes de diffraction XRD lors de la décharge initiale de la tension en circuit ouvert (OCV) à 1.2 V3O4. Les pics de diffraction n'ont pas changé de manière significative ni en intensité ni en position (Figure 2a), indiquant que le Fe3O4Only a connu le processus d'intercalation du Li. Lorsqu'elle est chargée à 3 V, la structure anti-spinelle Fe3O4 reste intacte, ce qui suggère que le processus dans cette fenêtre de tension est hautement réversible. Une surveillance magnétique in situ plus poussée combinée à des tests de charge-décharge à courant constant a été réalisée pour étudier l'évolution de la magnétisation en temps réel (Figure 2b).

Figure 2 Caractérisation de la DRX in situ et de la surveillance magnétique. (A) DRX in situ ; (b) Courbe de charge-décharge électrochimique Fe3O4 sous un champ magnétique appliqué de 3 T et réponse magnétique in situ réversible correspondante.

Pour acquérir une compréhension plus élémentaire de ce processus de conversion en termes de changements de magnétisation, la réponse magnétique est collectée en temps réel et la transition de phase correspondante accompagnant les réactions électrochimiques (Figure 3). Il est clair que lors de la première décharge, le Fe3O4La réponse de magnétisation des électrodes diffère des autres cycles dus au Fe lors de la première lithalisation3O4En raison d'une transition de phase irréversible se produit. Lorsque le potentiel est tombé à 0.78 V, la phase antispinelle Fe3O4The a été convertie pour contenir la structure halite Li2The de classe FeO de O, Fe3O4The la phase ne peut pas être restaurée après la charge. En conséquence, la magnétisation chute rapidement jusqu'à 0.482 µb Fe−1. Au fur et à mesure de la lithialisation, aucune nouvelle phase ne s'est formée et l'intensité des pics de diffraction de FeO des classes (200) et (220) a commencé à s'affaiblir. Égal à Fe3O4, aucun pic XRD significatif n'est retenu lorsque l'électrode est complètement liialisée (Figure 3a). Notez que lorsque l'électrode Fe3O4 se décharge de 0.78 V à 0.45 V, la magnétisation (de 0.482 µb Fe−1A augmenté à 1.266 µbFe−1), cela a été attribué à la réaction de conversion de FeO en Fe. Puis, à la fin de la décharge, l’aimantation a été lentement diminuée jusqu’à 1.132 μ B Fe−1. Cette découverte suggère que les nanoparticules métalliques FeO entièrement réduites peuvent encore participer à la réaction de stockage du lithium, réduisant ainsi la magnétisation des électrodes.

Figure 3 Observations in situ de la transition de phase et de la réponse magnétique.(a)Carte XRD Fe3O4In situ collectée lors de la première décharge de l'électrode ; (b) Fe3O4Mesure de la force magnétique in situ des cycles électrochimiques de cellules / Li à un champ magnétique appliqué de 3 T.

  1. Fe0/Li2Capacité de surface du système O

Fe3O4Les changements magnétiques des électrodes se produisent à basse tension, auxquelles une capacité électrochimique supplémentaire est très probablement générée, suggérant la présence de porteurs de charge non découverts dans la cellule. Pour explorer le mécanisme potentiel de stockage du lithium, Fe a été étudié au moyen de XPS, STEM et spectre de performances magnétiques3O4Électrodes de pics de magnétisation à 0.01 V, 0.45 V et 1.4 V pour déterminer la source du changement magnétique. Les résultats montrent que le moment magnétique est un facteur clé affectant le changement magnétique, car les valeurs Fe0/Li2Les Ms mesurées du système O ne sont pas affectées par l'anisotropie magnétique et le couplage interparticulaire.

Pour mieux comprendre le Fe3O4Les propriétés cinétiques des électrodes à basse tension, voltamétrie cyclique à différentes vitesses de balayage. Comme le montre la figure 4a, la courbe rectangulaire du voltamogramme cyclique apparaît dans la plage de tension comprise entre 0.01 V et 1 V (figure 4a). La figure 4b montre que la réponse capacitive Fe3O4A s'est produite sur l'électrode. Avec la réponse magnétique hautement réversible du processus de charge et de décharge à courant constant (Figure 4c), la magnétisation de l'électrode a diminué de 1 V à 0.01 V pendant le processus de décharge, et a augmenté à nouveau pendant le processus de charge, indiquant que Fe0Of du condensateur de type la réaction de surface est hautement réversible.

Figure 4 propriétés électrochimiques et caractérisation magnétique in situ à 0.011 V. (A) La courbe voltamétrique cyclique. (B) la valeur b est déterminée en utilisant la corrélation entre le courant de crête et la vitesse de balayage ; (c) le changement réversible de la magnétisation par rapport à la courbe charge-décharge sous un champ magnétique appliqué de 5 T.

Fe3O4 mentionné ci-dessusLes caractéristiques électrochimiques, structurelles et magnétiques des électrodes indiquent que la capacité supplémentaire de la batterie est déterminée par Fe0La capacité de surface polarisée en spin des nanoparticules est causée par les changements magnétiques qui les accompagnent. La capacité polarisée en spin est le résultat de l'accumulation de charge polarisée en spin à l'interface et peut afficher une réponse magnétique pendant la charge et la décharge. En Fe3O4L'électrode de base, au cours du premier processus de décharge, a été dispersée dans des nanoparticules Li2Fine Fe dans le substrat O. de grands rapports surface/volume et réalisent une haute densité d'états au niveau de Fermi en raison des orbitales d hautement localisées. Selon le modèle théorique de stockage de charge spatiale de Maier, les auteurs proposent que de grandes quantités d'électrons puissent être stockées dans les bandes de séparation de spin des nanoparticules métalliques de Fe, qui peuvent être trouvées dans Fe/Li2. Création de condensateurs de surface polarisés en spin dans les nanocomposites O ( Figure 5).

graphique 5Fe/Li2A Représentation schématique de la capacité de surface des électrons polarisés en spin à l'interface O. (A) le diagramme schématique de la densité d'état de polarisation de spin de la surface des particules métalliques ferromagnétiques (avant et après décharge), contrairement à la polarisation de spin globale du fer ; (b) la formation de la région de charge d'espace dans le modèle de condensateur de surface du lithium surstocké.

Résumé et perspectives

TM/Li a été étudié par surveillance magnétique in situ avancée2. L'évolution de la structure électronique interne du nanocomposite O pour révéler la source de capacité de stockage supplémentaire pour cette batterie lithium-ion. Les résultats montrent que, dans le système cellulaire modèle Fe3O4/Li, les nanoparticules de Fe réduites électrochimiquement peuvent stocker de grandes quantités d'électrons polarisés en spin, ce qui est dû à une capacité cellulaire excessive et à un magnétisme interfacial considérablement modifié. Les expériences ont en outre validé CoO, NiO et FeF2Et Fe2. La présence d'une telle capacité dans le matériau de l'électrode N indique l'existence d'une capacité de surface polarisée en spin des nanoparticules métalliques dans les batteries lithium-ion et jette les bases de l'application de ce mécanisme de stockage de charge spatiale dans d'autres transitions. matériaux d'électrode à base de composés métalliques.

Lien littérature

Capacité de stockage supplémentaire dans les batteries lithium-ion à oxyde de métal de transition révélée par magnétométrie in situ (Nature Materials, 2020, DOI : 10.1038/s41563-020-0756-y)

L'influence de la formule de conception des plaquettes d'électrode au lithium et des défauts des plaquettes d'électrode sur les performances

  1. Article de base sur la conception de films polaires

L'électrode de la batterie au lithium est un revêtement composé de particules, appliqué uniformément sur le fluide métallique. Le revêtement d’électrode de batterie au lithium-ion peut être considéré comme un matériau composite, principalement composé de trois parties :

(1) Particules de substance active ;

(2) la phase constitutive de l'agent conducteur et de l'agent (phase adhésive carbone) ;

(3) Pore, remplissez d’électrolyte.

La relation de volume de chaque phase est exprimée comme suit :

Porosité + fraction volumique de matière vivante + fraction volumique de phase adhésive carbonée =1

La conception des électrodes de batterie au lithium est très importante et les connaissances de base sur la conception des électrodes de batterie au lithium sont maintenant brièvement présentées.

(1) Capacité théorique du matériau d'électrode La capacité théorique du matériau d'électrode, c'est-à-dire la capacité fournie par tous les ions lithium dans le matériau impliqué dans la réaction électrochimique, sa valeur est calculée par l'équation suivante :

Par exemple, le LiFePO4La masse molaire est de 157.756 g/mol, et sa capacité théorique est :

Cette valeur calculée n'est que la capacité théorique en grammes. Afin de garantir la structure réversible du matériau, le coefficient réel d'élimination des ions lithium est inférieur à 1 et la capacité réelle en grammes du matériau est :

Capacité réelle en grammes du matériau = capacité théorique du coefficient de débranchement des ions lithium

(2) Capacité nominale de la batterie et densité extrêmement unilatérale La capacité nominale de la batterie peut être calculée à l'aide de la formule suivante : capacité nominale de la batterie = densité de la surface du revêtement rapport du matériau actif capacité en grammes du matériau actif surface de revêtement de la feuille polaire

Parmi eux, la densité surfacique du revêtement est un paramètre clé de conception. Lorsque la densité de compactage reste inchangée, l'augmentation de la densité superficielle du revêtement signifie que l'épaisseur de la feuille polaire augmente, la distance de transmission des électrons augmente et la résistance électronique augmente, mais le degré d'augmentation est limité. Dans la feuille d'électrode épaisse, l'augmentation de l'impédance de migration des ions lithium dans l'électrolyte est la principale raison affectant les caractéristiques du rapport. Compte tenu de la porosité et de la torsion des pores, la distance de migration des ions dans le pore est plusieurs fois supérieure à l'épaisseur de la feuille polaire.

(3) Le rapport entre la capacité négative-positive du rapport N/P et la capacité positive est défini comme :

N/P doit être supérieur à 1.0, généralement 1.04 ~ 1.20, ce qui est principalement dans la conception de sécurité, pour empêcher l'ion lithium côté négatif de se précipiter sans source d'acceptation, conception pour prendre en compte la capacité du processus, telle que l'écart de revêtement. Cependant, lorsque N/P est trop grand, la batterie perdra de manière irréversible sa capacité, ce qui entraînera une faible capacité de la batterie et une densité énergétique plus faible.

Pour l'anode en titanate de lithium, la conception en excès d'électrode positive est adoptée et la capacité de la batterie est déterminée par la capacité de l'anode en titanate de lithium. La conception en excès positif est propice à l'amélioration des performances à haute température de la batterie : le gaz à haute température provient principalement de l'électrode négative. Dans la conception à excès positif, le potentiel négatif est faible et il est plus facile de former un film SEI à la surface du titanate de lithium.

(4) Densité de compactage et porosité du revêtement Dans le processus de production, la densité de compactage du revêtement de l'électrode de batterie est calculée par la formule suivante. Considérant que lorsque la feuille polaire est laminée, la feuille métallique est étendue, la densité superficielle du revêtement après le rouleau est calculée par la formule suivante.

Comme mentionné précédemment, le revêtement est constitué d'une phase de matériau vivant, d'une phase adhésive de carbone et de pores, et la porosité peut être calculée par l'équation suivante.

Parmi eux, la densité moyenne du revêtement est la suivante : l'électrode de batterie au lithium est une sorte de particules de poudre de revêtement, car la surface des particules de poudre est rugueuse et de forme irrégulière, lors de l'accumulation, des particules entre particules et particules, et certaines particules elles-mêmes ont des fissures et des pores, donc le volume de poudre comprenant le volume de poudre, les pores entre les particules de poudre et les particules, donc la variété correspondante de densité de revêtement d'électrode et de représentation de porosité. La densité des particules de poudre fait référence à la masse de la poudre par unité de volume. Selon le volume de la poudre, elle est divisée en trois types : densité réelle, densité de particules et densité d'accumulation. Les différentes densités sont définies comme suit :

  1. La vraie densité fait référence à la densité obtenue en divisant la masse de poudre par le volume (volume réel) en excluant les espaces internes et externes des particules. C'est-à-dire la densité de la matière elle-même obtenue après exclusion du volume de tous les vides.
  2. La densité des particules fait référence à la densité des particules obtenue en divisant la masse de poudre divisée par le volume des particules incluant le trou ouvert et le trou fermé. C'est-à-dire l'écart entre les particules, mais pas les pores fins à l'intérieur des particules, la densité des particules elles-mêmes.
  3. La densité d'accumulation, c'est-à-dire la densité du revêtement, fait référence à la densité obtenue par la masse de poudre divisée par le volume du revêtement formé par la poudre. Le volume utilisé comprend les pores des particules elles-mêmes et les vides entre les particules.

Pour la même poudre, densité réelle > densité de particules > densité de tassement. La porosité de la poudre est le rapport des pores dans le revêtement de particules de poudre, c'est-à-dire le rapport du volume du vide entre les particules de poudre et les pores des particules au volume total du revêtement, qui est communément exprimé en pourcentage. La porosité de la poudre est une propriété complète liée à la morphologie des particules, à l'état de surface, à la taille des particules et à leur distribution granulométrique. Sa porosité affecte directement l’infiltration de l’électrolyte et la transmission des ions lithium. En général, plus la porosité est grande, plus l’infiltration de l’électrolyte est facile et plus la transmission des ions lithium est rapide. Par conséquent, dans la conception de la batterie au lithium, parfois pour déterminer la porosité, la méthode de pression du mercure couramment utilisée, la méthode d'adsorption de gaz, etc. peuvent également être obtenues en utilisant le calcul de la densité. La porosité peut également avoir des implications différentes lors de l'utilisation de différentes densités pour les calculs. Lorsque la densité de la porosité de la substance vivante, de l'agent conducteur et du liant est calculée par la densité réelle, la porosité calculée inclut l'espace entre les particules et l'espace à l'intérieur des particules. Lorsque la porosité de la substance vivante, de l'agent conducteur et du liant est calculée par la densité des particules, la porosité calculée inclut l'espace entre les particules, mais pas l'espace à l'intérieur des particules. Par conséquent, la taille des pores de la feuille d'électrode de batterie au lithium est également multi-échelle, généralement l'espace entre les particules est de l'ordre du micron, tandis que l'espace à l'intérieur des particules est de l'ordre du nanomètre à l'échelle sub-submicronique. Dans les électrodes poreuses, la relation entre les propriétés de transport telles que la diffusivité effective et la conductivité peut être exprimée par l'équation suivante :

Où D0 représente le taux de diffusion (conduction) intrinsèque du matériau lui-même, ε est la fraction volumique de la phase correspondante et τ est la courbure détournée de la phase correspondante. Dans le modèle homogène macroscopique, la relation de Bruggeman est généralement utilisée, prenant le coefficient ɑ = 1.5 pour estimer la positivité effective des électrodes poreuses.

L'électrolyte remplit les pores des électrodes poreuses, dans lesquelles les ions lithium sont conduits à travers l'électrolyte, et les caractéristiques de conduction des ions lithium sont étroitement liées à la porosité. Plus la porosité est grande, plus la fraction volumique de la phase électrolytique est élevée et plus la conductivité effective des ions lithium est élevée. Dans la feuille d'électrode positive, les électrons sont transmis à travers la phase adhésive de carbone, la fraction volumique de la phase adhésive de carbone et le détour de la phase adhésive de carbone déterminent directement la conductivité effective des électrons.

La porosité et la fraction volumique de la phase adhésive carbonée sont contradictoires, et la grande porosité conduit inévitablement à la fraction volumique de la phase adhésive carbonée. Par conséquent, les propriétés de conduction efficaces des ions lithium et des électrons sont également contradictoires, comme le montre la figure 2. À mesure que la porosité diminue, la conductivité effective des ions lithium diminue tandis que la conductivité effective des électrons augmente. La manière d’équilibrer les deux est également essentielle dans la conception des électrodes.

Figure 2 Diagramme schématique de la porosité et de la conductivité des ions lithium et des électrons

2. Type et détection des défauts des pôles

 

À l'heure actuelle, dans le processus de préparation des pôles de batterie, de plus en plus de technologies de détection en ligne sont adoptées, de manière à identifier efficacement les défauts de fabrication des produits, à éliminer les produits défectueux et à fournir un retour en temps opportun à la chaîne de production, des ajustements automatiques ou manuels à la production. Processus, pour réduire le taux de défauts.

Les technologies de détection en ligne couramment utilisées dans la fabrication des feuilles polaires comprennent la détection des caractéristiques de la boue, la détection de la qualité des feuilles polaires, la détection des dimensions, etc. Par exemple : (1) le viscosimètre en ligne est directement installé dans le réservoir de stockage de revêtement pour détecter les paramètres rhéologiques. caractéristiques du lisier en temps réel, Testez la stabilité du lisier ; (2) Utilisation des rayons X ou des rayons β dans le processus de revêtement, sa grande précision de mesure, mais son rayonnement important, le prix élevé de l'équipement et les problèmes de maintenance ; (3) la technologie de mesure d'épaisseur en ligne au Laser est appliquée pour mesurer l'épaisseur de la feuille polaire, la précision de mesure peut atteindre ± 1. 0 μm, elle peut également afficher la tendance de changement de l'épaisseur et de l'épaisseur mesurées en temps réel, faciliter la traçabilité des données et analyse ; (4) Technologie de vision CCD, c'est-à-dire que le line array CCD est utilisé pour numériser l'objet mesuré, Traitement d'image en temps réel et analyse des catégories de défauts, Réaliser la détection en ligne non destructive des défauts de surface de la feuille polaire.

En tant qu'outil de contrôle qualité, la technologie de test en ligne est également essentielle pour comprendre la corrélation entre les défauts et les performances de la batterie, afin de déterminer les critères qualifiés/non qualifiés pour les produits semi-finis.

Dans la dernière partie, la nouvelle méthode de technologie de détection des défauts de surface des batteries lithium-ion, la technologie d'imagerie thermique infrarouge et la relation entre ces différents défauts et les performances électrochimiques sont brièvement présentées.consulter D. Mohanty Une étude approfondie de Mohanty et al.

(1) Défauts courants sur la surface de la feuille polaire

La figure 3 montre les défauts courants à la surface de l'électrode de la batterie lithium-ion, avec l'image optique à gauche et l'image capturée par la caméra thermique à droite.

Figure 3 Défauts courants à la surface de la tôle polaire : (a, b) enveloppe renflée/agrégat ; (c, d) chute de matériau/trou d'épingle ; (e, f) corps étranger métallique ; (g, h) revêtement irrégulier

 

(A, b) renflement/agrégat surélevé, de tels défauts peuvent survenir si la suspension est agitée uniformément ou si la vitesse de revêtement est instable. La ségrégation des agents adhésifs et conducteurs de noir de carbone conduit à une faible teneur en principes actifs et à un poids léger des comprimés polaires.

 

(c, d) goutte/sténopé, ces zones défectueuses ne sont pas recouvertes et sont généralement produites par des bulles dans la bouillie. Ils réduisent la quantité de matière active et exposent le collecteur à l'électrolyte, réduisant ainsi la capacité électrochimique.

 

(E, f) les corps étrangers métalliques, les boues ou les corps étrangers métalliques introduits dans l'équipement et l'environnement, ainsi que les corps étrangers métalliques peuvent causer de graves dommages aux batteries au lithium. Les grosses particules métalliques endommagent directement le diaphragme, entraînant un court-circuit entre les électrodes positives et négatives, ce qui constitue un court-circuit physique. De plus, lorsque le corps étranger métallique est mélangé à l'électrode positive, le potentiel positif augmente après la charge, le métal se dissout, se propage à travers l'électrolyte, puis précipite sur la surface négative, et finalement perce le diaphragme, formant un court-circuit, qui est un court-circuit de dissolution chimique. Les corps étrangers métalliques les plus courants sur le site de l'usine de batteries sont Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS, etc.

 

(g, h) un revêtement inégal, tel que le mélange de boue n'est pas suffisant, la finesse des particules est facile à apparaître en rayures lorsque la particule est grosse, ce qui entraîne un revêtement inégal, ce qui affectera la cohérence de la capacité de la batterie, et même apparaîtra complètement Aucune bande de revêtement, a un impact sur la capacité et la sécurité.

(2) Technologie de détection des défauts de surface des puces polaires La technologie d'imagerie thermique infrarouge (IR) est utilisée pour détecter les défauts mineurs sur les électrodes sèches qui peuvent endommager les performances des batteries lithium-ion. Lors de la détection en ligne, si un défaut d'électrode ou un polluant est détecté, marquez-le sur la feuille polaire, éliminez-le dans le processus ultérieur, puis envoyez-le à la chaîne de production et ajustez le processus à temps pour éliminer les défauts. Le rayon infrarouge est une sorte d’onde électromagnétique de même nature que les ondes radio et la lumière visible. Un dispositif électronique spécial est utilisé pour convertir la répartition de la température de la surface d'un objet en une image visible de l'œil humain, et pour afficher la répartition de la température de la surface d'un objet dans différentes couleurs, on l'appelle technologie d'imagerie thermique infrarouge. Cet appareil électronique est appelé imageur thermique infrarouge. Tous les objets au-dessus du zéro absolu (-273 ℃) émettent un rayonnement infrarouge.
Comme le montre la figure 4, l'approximateur thermique infrarouge (caméra IR) utilise le détecteur infrarouge et l'objectif d'imagerie optique pour accepter le modèle de distribution d'énergie du rayonnement infrarouge de l'objet cible mesuré et le réfléchir sur l'élément photosensible du détecteur infrarouge pour obtenir le image thermique infrarouge, qui correspond au champ de répartition thermique à la surface de l'objet. Lorsqu’il y a un défaut à la surface d’un objet, la température change dans la zone. Par conséquent, cette technologie peut également être utilisée pour détecter les défauts à la surface de l’objet, particulièrement adaptée à certains défauts qui ne peuvent pas être distingués par des moyens de détection optique. Lorsque l'électrode de séchage de la batterie lithium-ion est détectée en ligne, l'électrode-électrode est d'abord irradiée par le flash, la température de surface change, puis la température de surface est détectée avec une caméra thermique. L'image de répartition de la chaleur est visualisée, et l'image est traitée et analysée en temps réel pour détecter les défauts de surface et les marquer dans le temps.D. Mohanty L'étude a installé une caméra thermique à la sortie du four de séchage de la coucheuse pour détecter l'image de la répartition de la température de la surface de la feuille d'électrode.

La figure 5 (a) est une carte de distribution de température de la surface de revêtement de la feuille de pôles positifs NMC détectée par la caméra thermique, qui contient un très petit défaut qui ne peut pas être distingué à l'œil nu. La courbe de répartition de la température correspondant au segment d'itinéraire est représentée dans l'encadré interne, avec un pic de température au point de défaut. Sur la figure 5(b), la température augmente localement dans la case correspondante, correspondant au défaut de surface de la feuille polaire. FIGUE. La figure 6 est un diagramme de distribution de température de surface de la feuille d'électrode négative montrant l'existence de défauts, où le pic d'augmentation de température correspond à la bulle ou à l'agrégat, et la zone de diminution de température correspond au trou d'épingle ou à la goutte.

Figure 5 Répartition de la température de la surface de la feuille d'électrode positive

Figure 6 Répartition de la température de la surface de l'électrode négative

 

On peut voir que la détection par imagerie thermique de la répartition de la température est un bon moyen de détection des défauts de surface des feuilles polaires, qui peut être utilisée pour le contrôle qualité de la fabrication des feuilles polaires.3. Effet des défauts de surface des feuilles polaires sur les performances de la batterie

 

(1) Impact sur la capacité du multiplicateur de batterie et l'efficacité coulombienne

La figure 7 montre la courbe d'influence de l'agrégat et du sténopé sur la capacité du multiplicateur de batterie et l'efficacité du coulen. L'agrégat peut effectivement améliorer la capacité de la batterie, mais réduire l'efficacité du coulen. Le trou d'épingle réduit la capacité de la batterie et l'efficacité du Kulun, et l'efficacité du Kulun diminue considérablement à un rythme élevé.

L'agrégat cathodique de la figure 7 et l'effet sténopé sur la capacité de la batterie et l'efficacité de la figure 8 sont un revêtement inégal, et les corps étrangers métalliques Co et Al sur la capacité de la batterie et l'effet de la courbe d'efficacité, un revêtement inégal réduisent la capacité massique de l'unité de batterie de 10 % - 20%, mais la capacité totale de la batterie a diminué de 60%, ce qui montre que la masse vivante dans la pièce polaire a considérablement diminué. Corps étranger de métal Co capacité réduite et efficacité coulombienne, même avec un grossissement élevé de 2C et 5C, aucune capacité du tout, ce qui peut être dû à la formation de métal Co dans la réaction électrochimique du lithium et du lithium incorporé, ou il peut s'agir de particules métalliques bloqué les pores du diaphragme, provoquant un micro court-circuit.

Figure 8 Effets du revêtement irrégulier de l'électrode positive et des corps étrangers métalliques Co et Al sur la capacité du multiplicateur de batterie et l'efficacité du coulen

Résumé des défauts de la feuille cathodique : Les ates dans le revêtement de la feuille cathodique réduisent l'efficacité coulombienne de la batterie. Le trou d'épingle du revêtement positif réduit l'efficacité coulombienne, ce qui entraîne de mauvaises performances du multiplicateur, en particulier à haute densité de courant. Le revêtement hétérogène présentait de mauvaises performances de grossissement. Les particules métalliques polluantes peuvent provoquer des micro-courts-circuits et donc réduire considérablement la capacité de la batterie.
La figure 9 montre l'impact de la bande de fuite négative sur la capacité multiplicatrice et l'efficacité Kulun de la batterie. Lorsque la fuite se produit au niveau de l'électrode négative, la capacité de la batterie est considérablement réduite, mais la capacité en grammes n'est pas évidente et l'impact sur l'efficacité du Kulun n'est pas significatif.

 

Figure 9 Influence de la bande de fuite d'électrode négative sur la capacité du multiplicateur de batterie et l'efficacité de Kulun (2) Influence sur les performances du cycle du multiplicateur de batterie La figure 10 est le résultat de l'influence du défaut de surface de l'électrode sur le cycle du multiplicateur de batterie. Les résultats d’influence sont résumés comme suit :
Égrégation : à 2C, le taux de maintien de capacité de 200 cycles est de 70% et la batterie défectueuse est de 12%, tandis qu'en cycle 5C, le taux de maintien de capacité de 200 cycles est de 50% et la batterie défectueuse est de 14%.
Trou d'aiguille : l'atténuation de la capacité est évidente, mais aucune atténuation globale des défauts n'est rapide et le taux de maintien de la capacité de 200 cycles 2C et 5C est de 47 % et 40 %, respectivement.
Corps étranger métallique : la capacité du corps étranger métallique Co est presque nulle après plusieurs cycles, et la capacité de cycle 0C de la feuille d'Al du corps étranger métallique diminue considérablement.
Bande de fuite : pour une même zone de fuite, la capacité de la batterie de plusieurs bandes plus petites diminue plus rapidement qu'une bande plus grande (47 % pour 200 cycles en 5C) (7 % pour 200 cycles en 5C). Cela indique que plus le nombre de bandes est grand, plus l'impact sur le cycle de la batterie est important.

Figure 10 Effet des défauts de surface de la feuille d'électrode sur le cycle de fréquence cellulaire

 

Réf. : [1] Évaluation non destructive des électrodes de batterie secondaire au lithium recouvertes d'une fente par pied à coulisse laser en ligne et méthodes de thermographie IR [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3) : 674-683.[2]Effet des défauts de fabrication des électrodes sur les performances électrochimiques des batteries lithium-ion : connaissance des sources de défaillance des batteries [J].Journal of Power Sources.2016, 312 : 70-79.

 

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