Примена керамичког премаза у литијумској батерији

Литијум-јонске батерије имају изванредне предности попут високог напона, великог капацитета, мале величине, мале тежине, заштите животне средине и дугог животног века. Широко се користе у разним преносним електронским производима и електричним возилима. Међутим, и даље постоје одређени проблеми у безбедности литијум-јонских батерија, посебно њихови безбедносни проблеми у условима као што су висока температура, прекомерно пуњење и кратки спој, који су постали технички проблеми који се морају превазићи када се напајају литијум-јонске батерије примењују се у великом обиму.

Тренутно многи произвођачи литијумских батерија користе керамички прах за пресвлачење негативних половних комада или керамичких сепаратора и других материјала који се односе на ГГ; ради побољшања сигурности литијумских батерија. Заправо, керамички прах није ГГ „керамички ГГ“, већ честице глинице у нано величини. Нано глиница је један од посебних функционалних нано материјала са важном применом и перспективама за развој. Има низ изврсних карактеристика као што су висока термичка стабилност, хемијска стабилност, отпорност на корозију и велика тврдоћа. Широко се користи у керамичким материјалима и биолошким материјалима. Медицински материјали, полупроводнички материјали, носачи катализатора, материјали површинског заштитног слоја и оптички материјали. Управо због тако добре топлотне стабилности, нано-глиница се сматра добрим термоизолационим материјалом и очекује се да ће дати значајан допринос побољшању безбедносних перформанси литијум-јонских батерија.

Тренутно се нано-глиница углавном користи за облагање електрода или дијафрагми како би се побољшала сигурност дијафрагме и смањила брзина унутрашњег кратког споја.

1. Анодни керамички премаз

Тренутно се керамички прах углавном меша са ЦМЦ и раствара у дејонизованој води да би се добио каша. Каша се затим наноси на стуб, а стање стуба под СЕМ након сушења приказано је на слици 1. На сликама (а) и (б) на слици 1, очигледно је да је керамичка облога једнолико распоређених на површини негативне електроде у облику честица. Учинак керамичког премаза на перформансе литијумских батерија је следећи:

Слика 1. СЕМ две врсте нециркулираних негативних пола

1. Керамичка облога нема очигледан утицај на капацитет литијумске батерије;

2. Додавањем керамичког праха повећаће се унутрашњи отпор литијумске батерије. То је зато што је главна компонента керамичке облоге Ал2О3, која није проводљива. Превлачење керамике на површини материјала негативне електроде ометаће пут електрона до негативне електроде, па ће се повећати отпор тела батерије;

3. Цикличне перформансе батерије са керамичким премазом су боље од оних које имају батерије без керамичке облоге. Поред тога, премазивањем керамичког праха на површини негативне електроде, повећањем ефекта пасивизације површине негативне електроде и повећањем електронске изолације, погоршање електричних перформанси батерије под условима складиштења на високим температурама може се ефикасно сузбити. СЕМ анализа батеријских стубова након бициклирања приказана је на приказаној слици 2.

Слика 2. СЕМ негативног пола након два циклуса

Са слике се види да је површина негарамичке електроде обложене негарамиком прекривена слојем финих честица, за које се претпоставља да су једињења настала таложењем литија током процеса пуњења и пражњења, док површина негативна електрода пресвучена керамиком је релативно глатка и керамика равномерно распоређена на површини стуба. Може се претпоставити да су цикличне перформансе батерије повезане са керамичким премазом. Током циклуса батерије, негативни СЕИ филм ће расти и постајати дебљи. Прекомерни СЕИ филм не само да ће потрошити више литијумових јона, већ ће узроковати и литијум током пуњења. Јони не могу бити добро уграђени у негативну електроду, већ се таложе на површини негативне електроде или чак на површини сепаратора, што резултира губитком капацитета током циклуса. Превлачење слоја керамичког сепаратора на површини негативне електроде може бити у стању да ефикасно блокира раст СЕИ филма негативне електроде, смањујући тако губитак литијумових јона током циклуса. Поред тога, електролит ће се наставити распадати током батеријског циклуса, а керамички премаз има одређени капацитет апсорпције течности, што може побољшати стопу задржавања капацитета електролита током дугорочних циклуса пуњења и пражњења. Стога керамички премаз може побољшати перформансе циклуса тернарне литијум-јонске батерије.

4. Сигурност керамички обложених батерија већа је од сигурности батерија које нису обложене керамиком. Две различите батерије су подвргнуте акупунктурним експериментима под истим експерименталним условима, а резултати су приказани на слици 3.

Слика 3. Резултати акупунктуре две батерије

Са слике 3 се може видети да је вршна температура акупунктуре батерије обложене керамиком 123,1 ℃. Након теста, батерија је мало набрекла без дима или експлозије; максимална температура батерије која није обложена керамиком је 410 ℃. Током теста, батерија је експлодирала и пушила, горњи поклопац је сломљен, а тест није успео. Разлог за горе наведени феномен може бити повезан са керамичким премазом на површини негативне електроде. Будући да пробијање иглом симулира кратки спој у батерији, за кратко време створиће се велика количина топлоте, а керамички премаз на површини негативне електроде може одложити губитак топлоте током процеса пробијања игле. Нагло повећајте, одлажући тиме термичко разлагање електролита и избегавајући експлозију батерије услед велике количине гаса који се ствара у кратком времену. Стога керамички премаз значајно побољшава сигурносне перформансе литијум-јонских батерија.

2. Керамичка дијафрагма

Тренутно истраживачи углавном побољшавају перформансе батерија у смислу позитивних и негативних материјала, сепаратора, електролита и дизајна батерија. Међу њима, керамички сепаратори су ефикасан начин за побољшање перформанси батерије. Керамички сепаратори не само да могу побољшати перформансе сигурности батерије, већ и побољшати перформансе циклуса батерије и смањити брзину самопражњења. Постоје различити производни поступци за керамичке мембране, као што су таложење хемијских пара и површински премаз. Керамичка мембрана може побољшати циклус и безбедносне перформансе литијум-јонских батерија, али је поступак њене припреме тешко контролисати, а керамика на мембрани такође може отпасти током циклуса.

1. Морфолошке разлике

На тржишту се често користе дијафрагме израђене од ПП, ПЕ или две врсте композитне обраде. Иако ови микропорозни полиолефински сепаратори имају одличну механичку чврстоћу и хемијску стабилност, ови сепаратори имају унутрашњи стрес током процеса припреме, а стрес се ослобађа у окружењу високе температуре, а сепаратор ће имати очигледан ефекат термичког скупљања, што чини позитивне и негативне електроде унутар батерије Директан контакт материјала изазива унутрашњи кратки спој и долази до сигурносног квара. Превлачење честица нано глинице на површини сепаратора може ефикасно побољшати сигурност литијумских батерија. Након растварања и мешања керамичког праха са ПВДФ и НМП и равномерног распршивања, машина за наношење премаза укључује се да обложи керамички прах на ПЕ мембрани. Може се контролисати дебљина керамичке превлаке, а затим се керамичка мембрана прави сушењем на 80 ° Ц током 24 сата. Микро морфологија керамичке дијафрагме приказана је на слици 4.

Слика 4. Микро морфологија ПЕ и керамичке дијафрагме

Са слике се види да обложене честице нано-А2О3 у потпуности прекривају површину ПЕ мембране, а између честица постоји неравномерна расподела великих празнина. Постојање ових великих празнина може олакшати уметање и екстракцију Ли + и има добре апсорпције течности и задржавање течности за електролит, тако да не утиче на перформансе пуњења и пражњења литијумске батерије након премаз је премазан.

2. Степен топлотног скупљања

Керамички премаз је користан за побољшање отпорности мембране на високе температуре. Ставите керамичку мембрану и обичну дијафрагму у кутију на различитим температурама на 2 сата. Велика је разлика у скупљању између две врсте дијафрагми. Експериментални резултати приказани су на слици 5.

Слика 5. Два степена скупљања дијафрагме на различитим температурама

Дијафрагма се скупља на високој температури, јер дијафрагма има унутрашњи стрес услед вуче и истезања током процеса припреме. У окружењу са високом температуром, кретање унутрашњег молекуларног ланца дијафрагме доводи до ослобађања стреса и смањења на великом подручју; али се керамичка облога дијафрагме смањује на 140 Морфологија саме дијафрагме се није променила осим промене боје дијафрагме под условима печења ℃. Када анорганске превлаке обложене са обе стране површине дијафрагме имају високу температурну отпорност и перформансе топлотне изолације, температура саме основне мембране се смањује, тако да је дијафрагма на високој температури. Оригинални облик остаје у окружењу.

3. Керамичка мембрана је корисна за побољшање сигурности батерије

Слика 6. Однос између унутрашњег отпора и температуре батерије састављене са две врсте мембрана

ПЕ сепаратор се скупља на великом подручју када је температура виша од његове тачке топљења, тако да позитивни и негативни полови у батерији директно долазе у контакт и изазивају унутрашњи кратки спој. Због тога се унутрашњи отпор измерене батерије брзо смањује; међутим, за обложени сепаратор чак и на 150 Морфологија самог сепаратора се неће променити када се испече на ℃, тако да неће бити кратког споја унутар батерије, што чини да се унутрашњи отпор батерије и даље повећава. ПЕ сепаратор ће изгубити механичку стабилност у окружењу са високим температурама, што ће довести до директног контакта између позитивне и негативне електроде унутар батерије и проузроковати кратки спој. Керамички сепаратор премаза има отпорност на високе температуре како би ефикасно спречио кратки спој унутар батерије и побољшао сигурносне перформансе батерије.

4. Утицај керамичке мембране на животни век батерије

Литијум-јонски сепаратор батерије не само да изолује позитивне и негативне полове у батерији, већ такође мора да има добру пропустљивост јона. Јер ће анорганска превлака на сепаратору повећати дебљину сепаратора, што може утицати на проводљивост јона. Али експеримент доказује (слика 7) да је његов утицај слабији, али дијафрагма са керамичким премазом има боље перформансе циклуса.

Слика 7. Поређење перформанси циклуса две врсте мембранских батерија

ПП / ПЕ сепаратори су неполарни, са хидрофобном површином и ниском површинском енергијом. Тешко је навлажити и одржавати поларне органске електролите попут етилен карбоната и пропилен карбоната, што директно утиче на перформансе циклуса и употребу батерије. Животни век, док је површина неорганске керамике хидрофилна због присуства хидроксилних група, њено увођење може у великој мери побољшати способност влажења и задржавања дијафрагме или електроде у електролиту и у великој мери побољшати перформансе циклуса батерије. У исто време, честице нано-глинице имају велику специфичну површину, што може побољшати влажност и задржавање течности електролита на стубним деловима, а такође погодује животном веку батерије.

да сумирам:

Укратко, керамичке превлаке имају важан утицај на перформансе литијум-јонских батерија, посебно на сигурносне перформансе литијумских батерија. Керамизација површине електроде и мембране не може само значајно смањити брзину унутрашњег кратког споја батерије и побољшати сигурност, већ и побољшати влажност електроде и мембране у електролитима, смањити поларизацију и побољшати укупне перформансе батерије. Због тога је примена керамичких премаза неизбежан тренд у развоју литијум-јонских батерија у будућности.