Ứng dụng của lớp phủ gốm trong pin lithium
Aug 24, 2020
Pin Lithium-ion có những ưu điểm vượt trội như điện áp cao, dung lượng lớn, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, bảo vệ môi trường và tuổi thọ cao. Chúng đã được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm điện tử cầm tay và xe điện. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề nhất định về tính an toàn của pin lithium-ion, đặc biệt là các vấn đề về an toàn của chúng trong các điều kiện như nhiệt độ cao, sạc quá mức và đoản mạch, đã trở thành những vấn đề kỹ thuật cần phải khắc phục khi pin lithium-ion loại nguồn. được áp dụng trên diện rộng.
Hiện nay, nhiều nhà sản xuất pin lithium sử dụng bột gốm để phủ các miếng cực âm hoặc bộ phân tách bằng gốm và các vật liệu khác liên quan đến" bột gốm" để cải thiện độ an toàn của pin lithium. Trên thực tế, bột gốm không phải là" gốm" ;, mà là các hạt alumin kích thước nano. Nano alumina là một trong những vật liệu nano chức năng đặc biệt, có giá trị ứng dụng quan trọng và triển vọng phát triển. Nó có một loạt các đặc tính tuyệt vời như độ bền nhiệt cao, ổn định hóa học, chống ăn mòn và độ cứng cao. Nó được sử dụng rộng rãi trong vật liệu gốm sứ và vật liệu sinh học. Vật liệu y tế, vật liệu bán dẫn, chất mang xúc tác, vật liệu lớp bảo vệ bề mặt và vật liệu quang học. Chính vì tính ổn định nhiệt tốt như vậy mà nano alumina được coi là vật liệu cách nhiệt tốt và được kỳ vọng sẽ đóng góp đáng kể vào việc cải thiện hiệu suất an toàn của pin lithium-ion.
Hiện nay, nano alumina chủ yếu được sử dụng để phủ lên các điện cực hoặc màng chắn nhằm cải thiện độ an toàn của màng ngăn và giảm tỷ lệ ngắn mạch bên trong.
1. Lớp phủ gốm anốt
Hiện nay, bột gốm thường được trộn với CMC và hòa tan trong nước khử ion để tạo thành một loại bùn. Sau đó, bùn được phủ lên miếng cực, và trạng thái của miếng cực dưới SEM sau khi khô được thể hiện trong Hình 1. Trong các hình (a) và (b) trong Hình 1, rõ ràng là lớp phủ gốm là đồng nhất. phân bố trên bề mặt điện cực âm dưới dạng hạt. Ảnh hưởng của lớp phủ gốm lên hiệu suất của pin lithium như sau:
Hình 1. SEM của hai loại cực âm không tuần hoàn
1. Lớp phủ gốm không có ảnh hưởng rõ ràng đến dung lượng của pin lithium;
2. Thêm bột gốm sẽ làm tăng điện trở bên trong của pin lithium. Điều này là do thành phần chính của lớp phủ gốm là Al2O3, không dẫn điện. Việc phủ ceramic lên bề mặt vật liệu làm điện cực âm sẽ cản trở đường đi của các electron đến điện cực âm, do đó điện trở của pin sẽ tăng lên;
3. Hiệu suất chu kỳ của pin phủ sứ tốt hơn so với pin không phủ sứ. Ngoài ra, bằng cách phủ bột gốm lên bề mặt của điện cực âm, bằng cách tăng hiệu ứng thụ động của bề mặt điện cực âm và tăng cường cách điện điện tử, sự suy giảm hiệu suất điện của pin trong điều kiện bảo quản nhiệt độ cao có thể được ngăn chặn một cách hiệu quả. Phân tích SEM của các mảnh cực pin sau khi đạp xe được thể hiện trong hình 2.
Hình 2. SEM của mảnh cực âm sau hai chu kỳ
Qua hình vẽ có thể thấy bề mặt của điện cực âm không phủ gốm được bao phủ bởi một lớp hạt mịn, được cho là hợp chất được tạo thành do lắng đọng liti trong quá trình tích điện và phóng điện, trong khi bề mặt của điện cực âm phủ gốm tương đối mịn và gốm Phân bố đều trên bề mặt của miếng cực. Có thể suy đoán rằng hiệu suất chu kỳ của pin có liên quan đến lớp phủ gốm. Trong chu kỳ của pin, màng SEI âm bản sẽ phát triển và dày hơn. Một màng SEI quá dày sẽ không chỉ tiêu thụ nhiều ion lithium hơn mà còn gây ra lithium trong quá trình sạc. Các ion không thể được nhúng tốt trong điện cực âm, mà kết tủa trên bề mặt của điện cực âm hoặc thậm chí trên bề mặt của bộ phân tách, dẫn đến mất công suất trong chu kỳ. Việc phủ một lớp sứ ngăn cách trên bề mặt của điện cực âm có thể ngăn chặn hiệu quả sự phát triển của màng SEI điện cực âm, do đó làm giảm sự mất mát của các ion lithium trong chu kỳ. Ngoài ra, chất điện phân sẽ tiếp tục phân hủy trong chu kỳ pin, và lớp phủ gốm có khả năng hấp thụ chất lỏng nhất định, có thể cải thiện tỷ lệ duy trì dung lượng của chất điện phân trong chu kỳ sạc và xả lâu dài. Do đó, lớp phủ gốm có thể cải thiện hiệu suất chu kỳ của pin lithium-ion bậc ba.
4. Độ an toàn của pin tráng gốm cao hơn so với pin không tráng gốm. Hai loại pin khác nhau được tiến hành thí nghiệm châm cứu trong cùng điều kiện thí nghiệm, và kết quả được thể hiện trong Hình 3.
Hình 3. Kết quả châm cứu của hai pin
Hình 3 có thể thấy rằng nhiệt độ đỉnh điểm châm cứu của pin bọc sứ là 123,1 ℃. Sau khi kiểm tra, pin hơi phồng lên không có khói, nổ; nhiệt độ cao nhất của pin không phủ gốm là 410 ℃. Trong quá trình thử nghiệm, pin bị nổ và bốc khói, nắp trên bị vỡ và thử nghiệm không thành công. Sở dĩ có hiện tượng trên có thể liên quan đến lớp sứ phủ trên bề mặt điện cực âm. Do quá trình đột kim mô phỏng sự ngắn mạch trong pin, nên một lượng nhiệt lớn sẽ được tạo ra trong thời gian ngắn, và lớp gốm phủ trên bề mặt điện cực âm có thể trì hoãn sự mất nhiệt trong quá trình đột kim. Tăng mạnh, do đó làm chậm quá trình phân hủy nhiệt của chất điện phân, và tránh hiện tượng nổ bình ắc quy do một lượng lớn khí sinh ra trong thời gian ngắn. Do đó, lớp phủ gốm cải thiện đáng kể hiệu suất an toàn của pin lithium-ion.
2. Màng gốm
Hiện tại, các nhà nghiên cứu chủ yếu cải thiện hiệu suất của pin về vật liệu tích cực và tiêu cực, bộ phân tách, chất điện phân và thiết kế pin. Trong số đó, bộ tách gốm là một cách hiệu quả để cải thiện hiệu suất của pin. Bộ tách gốm không chỉ có thể cải thiện hiệu suất an toàn của pin mà còn Cải thiện hiệu suất chu kỳ pin và giảm tốc độ tự xả. Có nhiều phương pháp sản xuất màng ngăn gốm khác nhau, chẳng hạn như lắng đọng hơi hóa chất và phủ bề mặt. Màng ngăn bằng gốm có thể cải thiện chu kỳ và hiệu suất an toàn của pin lithium ion, nhưng quá trình chuẩn bị của nó rất khó kiểm soát và lớp gốm trên màng cũng dễ bị rơi ra trong chu kỳ.
1. Sự khác biệt về hình thái
Các loại màng ngăn thường được sử dụng trên thị trường được làm bằng PP, PE, hoặc hai loại gia công composite. Mặc dù các chất tách polyolefin vi xốp này có độ bền cơ học và độ ổn định hóa học tuyệt vời, nhưng các chất tách này có ứng suất bên trong trong quá trình chuẩn bị và ứng suất được giải phóng trong môi trường nhiệt độ cao và chất phân tách sẽ có hiệu ứng co nhiệt rõ ràng, làm cho âm điện cực bên trong pin Sự tiếp xúc trực tiếp của vật liệu gây ra đoản mạch bên trong và xảy ra hỏng hóc an toàn. Việc phủ các hạt nhôm nano lên bề mặt của thiết bị phân tách có thể cải thiện hiệu quả độ an toàn của pin lithium. Sau khi hòa tan và trộn bột gốm với PVDF và NMP và phân tán đồng đều, máy phủ được bật để phủ bột gốm lên màng PE. Có thể kiểm soát độ dày của lớp phủ gốm, và sau đó màng ngăn bằng sứ được làm bằng cách sấy ở 80 ° C trong 24 giờ. Hình thái vi mô của màng ngăn gốm được thể hiện trong Hình 4.
Hình 4. Hình thái vi mô của màng chắn PE và gốm
Hình ảnh có thể thấy rằng các hạt A2O3 nano được phủ hoàn toàn bao phủ bề mặt của màng PE, và có sự phân bố không đồng đều các khoảng trống lớn giữa các hạt. Sự tồn tại của những khoảng trống lớn này có thể tạo điều kiện cho việc chèn và chiết Li + và Nó có hiệu suất hấp thụ chất lỏng và giữ chất lỏng tốt cho chất điện phân, do đó nó không ảnh hưởng đến hiệu suất sạc và xả của pin lithium sau khi lớp phủ được phủ.
2. Mức độ co nhiệt
Lớp phủ gốm rất hữu ích để cải thiện khả năng chịu nhiệt độ cao của màng ngăn. Đặt màng ngăn gốm và màng ngăn thông thường vào hộp ở các nhiệt độ khác nhau trong 2 giờ. Có sự khác biệt lớn về độ co ngót giữa hai loại màng ngăn. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Hình 5.
Hình 5. Hai độ co ngót của màng ngăn ở các nhiệt độ khác nhau
Màng co lại ở nhiệt độ cao do màng ngăn có ứng suất bên trong do lực kéo và kéo căng trong quá trình chuẩn bị. Trong môi trường nhiệt độ cao, sự chuyển động của chuỗi phân tử bên trong màng ngăn làm cho ứng suất được giải phóng và co lại trên diện rộng; nhưng màng ngăn phủ sứ co lại ở 140 Hình thái của màng ngăn không thay đổi ngoại trừ sự thay đổi màu sắc của màng ngăn trong điều kiện nướng ℃. Khi các lớp phủ vô cơ được phủ trên cả hai mặt của bề mặt màng ngăn có khả năng chịu nhiệt độ cao và hiệu suất cách nhiệt, nhiệt độ của màng ngăn cơ sở sẽ giảm xuống, do đó màng ngăn ở nhiệt độ cao. Hình thức ban đầu vẫn còn trong môi trường.
3. Màng gốm có lợi để cải thiện độ an toàn của pin
Hình 6. Mối quan hệ giữa điện trở bên trong và nhiệt độ của pin được lắp ráp bằng hai loại màng ngăn
Bộ phân tách PE co lại trên diện rộng khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó, do đó các miếng cực âm và dương bên trong pin tiếp xúc trực tiếp và gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong. Do đó, nội trở của pin đo được giảm nhanh chóng; tuy nhiên, đối với dải phân cách được phủ ngay cả ở 150 Hình thái của dải phân cách sẽ không thay đổi khi nung ở ℃, do đó sẽ không có hiện tượng đoản mạch bên trong pin, điều này làm cho nội trở của pin vẫn tăng. Bộ tách PE sẽ mất tính ổn định cơ học trong môi trường nhiệt độ cao, dẫn đến sự tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực âm và dương bên trong pin và gây ra hiện tượng đoản mạch. Bộ tách lớp phủ gốm có khả năng chịu nhiệt độ cao để ngăn chặn hiệu quả ngắn mạch bên trong pin và cải thiện hiệu suất an toàn của pin.
4. Ảnh hưởng của màng ngăn gốm đến tuổi thọ pin
Bộ tách pin Lithium-ion không chỉ cách ly các miếng cực âm và dương bên trong pin, mà còn cần có khả năng thẩm thấu ion tốt. Vì lớp phủ vô cơ trên thiết bị phân tách sẽ làm tăng độ dày của thiết bị phân tách, có thể ảnh hưởng đến độ dẫn ion. Nhưng thí nghiệm chứng minh (Hình 7) ảnh hưởng của nó yếu hơn, nhưng màng ngăn với lớp phủ gốm có hiệu suất chu kỳ tốt hơn.
Hình 7. So sánh hiệu suất chu kỳ của hai loại pin màng
Các thiết bị phân tách PP / PE không phân cực, có bề mặt kỵ nước và năng lượng bề mặt thấp. Rất khó để làm ướt và duy trì các chất điện phân hữu cơ phân cực như ethylene carbonate và propylene carbonate, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chu trình và việc sử dụng pin. Tuổi thọ, trong khi bề mặt của gốm vô cơ có tính ưa nước do sự hiện diện của các nhóm hydroxyl, sự ra đời của nó có thể cải thiện đáng kể khả năng thấm ướt và khả năng lưu giữ của màng ngăn hoặc điện cực đối với chất điện phân, và cải thiện đáng kể hiệu suất chu kỳ của pin. Đồng thời, các hạt nhôm nano có diện tích bề mặt riêng lớn, có thể cải thiện khả năng thấm ướt và giữ chất lỏng của chất điện phân đối với các miếng cực, và cũng có lợi cho vòng đời của pin.
tóm lại:
Tóm lại, lớp phủ gốm có tác động quan trọng đến hiệu suất của pin lithium-ion, đặc biệt là hiệu suất an toàn của pin lithium. Việc gốm hóa bề mặt điện cực và màng ngăn không chỉ có thể làm giảm đáng kể tỷ lệ ngắn mạch bên trong của pin và cải thiện độ an toàn, mà còn cải thiện khả năng thấm ướt chất điện phân của điện cực và màng ngăn, giảm phân cực và cải thiện hiệu suất tổng thể của pin. Vì vậy, việc ứng dụng lớp phủ gốm là xu hướng tất yếu trong quá trình phát triển pin lithium-ion trong tương lai.