Cơ chế hình thành và ngăn ngừa sự hình thành của tua-bin lithi

Hình thức:

Nói một cách đơn giản, liti có đuôi gai có nghĩa là hàm lượng liti nhúng trong than chì vượt quá khả năng chịu đựng của nó, và các ion liti dư thừa sẽ kết hợp với các điện tử được bật ra khỏi điện cực âm và bắt đầu lắng đọng trên bề mặt của điện cực âm. Trong quá trình sạc pin, bên ngoài tạo ra một điện áp ra bên ngoài, để các ion liti bên trong vật liệu điện cực dương có thể được chiết xuất vào môi trường điện phân. Tương tự, các ion liti trong chất điện phân sẽ di chuyển đến lớp cacbon trong điều kiện chênh lệch điện áp bên ngoài. Graphit có kênh phân lớp, và liti sẽ đi vào kênh để tạo thành hợp chất cacbon-liti với cacbon, tạo thành hợp chất xen giữa graphit như LiCx (x=1 ~ 6). Phản ứng điện hóa trên cực âm của pin liti có thể được biểu thị bằng công thức sau:

Trong công thức này, có một tham số là, nếu cả hai được cộng lại, liti có đuôi gai sẽ được tạo ra. Đây là một khái niệm mà mọi người đều quen thuộc, hợp chất xen giữa than chì. Các hợp chất graphit interlaminar (viết tắt là GIC) là các hợp chất tinh thể sử dụng các phương pháp vật lý hoặc hóa học để chèn các chất phản ứng không cacbon vào giữa các lớp graphit và kết hợp với mặt phẳng mạng lục giác của cacbon trong khi vẫn duy trì cấu trúc phân lớp graphit.

Đặc trưng:

Dendrite lithium thường được lắng đọng trên vị trí tiếp xúc giữa bộ phân tách và điện cực âm. Những sinh viên có kinh nghiệm trong việc tháo rời pin nên thường tìm thấy một lớp vật liệu màu xám trên dải phân cách. Vâng, đó là kết tủa liti. Dendrite lithium là một kim loại lithium được hình thành sau khi các ion lithium nhận điện tử, và kim loại lithium không còn có thể hình thành các ion lithium để tham gia vào phản ứng sạc và phóng điện của pin, dẫn đến việc giảm dung lượng pin. Dendrite liti phát triển từ bề mặt của điện cực âm về phía bộ phân tách. Nếu kim loại lithium liên tục được lắng đọng, cuối cùng nó sẽ xuyên qua dải phân cách và gây đoản mạch trong pin, gây ra các vấn đề về an toàn của pin.

Những nhân tố ảnh hưởng:

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự hình thành đuôi gai là: độ nhám của bề mặt điện cực âm, gradient nồng độ ion lithium, mật độ dòng điện, v.v. Ngoài ra, màng SEI, loại chất điện phân, nồng độ chất tan và khoảng cách hiệu quả. giữa điện cực dương và điện cực âm đều ảnh hưởng đến đuôi gai Việc tạo thành liti có ảnh hưởng nhất định.

1. Độ nhám bề mặt của điện cực âm

Độ nhám bề mặt của điện cực âm ảnh hưởng đến sự hình thành các đuôi gai. Bề mặt càng nhám, càng có lợi cho việc hình thành các đuôi gai. Sự hình thành đuôi gai liên quan đến điện hóa học, tinh thể học, nhiệt động lực học và động học. David R. Ely Có một mô tả chi tiết trong bài báo.

2. Phân bố và gradient nồng độ ion liti

Sau khi các ion liti được tách ra khỏi vật liệu điện cực dương, chúng đi qua chất điện phân và bộ phân tách và nhận các điện tử ở điện cực âm. Trong quá trình sạc, nồng độ ion liti của điện cực dương tăng dần, và nồng độ ion liti của điện cực âm giảm dần do sự nhận electron liên tục. Trong dung dịch loãng với mật độ dòng điện cao, nồng độ ion sẽ trở thành 0. Trên cơ sở này, Fleury et al. Mô hình được thiết lập với Chazalviel cho thấy rằng khi nồng độ ion giảm xuống 0, điện cực âm sẽ hình thành điện tích không gian cục bộ và tạo thành cấu trúc đuôi gai. Tốc độ phát triển của cấu trúc đuôi gai cũng giống như tốc độ di chuyển ion trong chất điện phân.

3. Mật độ hiện tại

Trong bài báo Sự phát triển của đuôi gai trong các hệ thống Lithium / Polymer, tác giả tin rằng tốc độ phát triển đầu gai của các đuôi gai có liên quan chặt chẽ đến mật độ dòng điện, như được thể hiện trong công thức sau:

Nếu mật độ dòng điện giảm, sự phát triển của đuôi gai có thể bị trì hoãn ở một mức độ nhất định, như thể hiện trong hình dưới đây:

Làm sao để tránh:

Cơ chế hình thành của đuôi gai vẫn còn rõ ràng, nhưng có rất nhiều mô hình phát triển của kim loại lithium. Tùy theo sự hình thành của các đuôi gai và các yếu tố ảnh hưởng, có thể tránh được sự hình thành của lithi ở đuôi gai từ các khía cạnh sau:

1). Kiểm soát độ phẳng của bề mặt vật liệu điện cực âm.

2). Kích thước của các hạt điện cực âm phải nhỏ hơn bán kính nhiệt động tới hạn.

3). Quy định khả năng thấm ướt của chất tẩy rửa điện.

4). Hạn chế điện thế mạ dưới giá trị tới hạn. Ngoài ra, cơ chế sạc và xả truyền thống có thể được cải thiện. Ví dụ, phương pháp xung có thể được xem xét.

5). Thêm các chất phụ gia điện phân để ổn định giao diện điện cực âm

6). Thay thế chất điện phân lỏng bằng chất điện phân rắn / gel có độ bền cao

7). Thiết lập lớp bảo vệ bề mặt anốt lithium có độ bền cao

Cuối cùng, hãy để lại hai câu hỏi ở cuối bài để mọi người cùng thảo luận:

1). Phản ứng điện hóa của ion liti xảy ra ở đâu? Một là sự chuyển khối pha rắn sau khi phản ứng điện hóa của các ion liti trên bề mặt graphit đạt tới trạng thái bão hòa. Thứ hai là các ion liti di chuyển vào các lớp graphit qua ranh giới hạt của các tinh thể graphit, và phản ứng bên trong graphit.

2). Phản ứng giữa các ion liti và than chì tạo thành các hợp chất cacbon-liti và liti có đuôi gai xảy ra đồng thời hay liên tiếp?