Applicering av keramisk beläggning i litiumbatteri

Litiumjonbatterier har enastående fördelar som högspänning, hög kapacitet, liten storlek, låg vikt, miljöskydd och lång livslängd. De har använts i stor utsträckning i olika bärbara elektroniska produkter och elektriska fordon. Det finns emellertid fortfarande vissa problem i säkerheten för litiumjonbatterier, särskilt deras säkerhetsproblem under förhållanden som hög temperatur, överladdning och kortslutning, vilket har blivit tekniska problem som måste övervinnas när litiumjonbatterier av hög kvalitet tillämpas i stor skala.

För närvarande använder många litiumbatteritillverkare keramiskt pulver för att belägga bitar av negativ pol eller keramiska separatorer och andra material relaterade till" keramiskt pulver" för att förbättra säkerheten för litiumbatterier. I själva verket är keramiskt pulver inte&", keramiskt GG", utan aluminiumoxidpartiklar i nanostorlek. Nano-aluminiumoxid är ett av de speciella funktionella nano-materialen med viktigt användningsvärde och utvecklingsmöjligheter. Den har en rad utmärkta egenskaper som hög termisk stabilitet, kemisk stabilitet, korrosionsbeständighet och hög hårdhet. Det används ofta i keramiska material och biologiska material. Medicinska material, halvledarmaterial, katalysatorbärare, ytskyddsmaterial och optiska material. Det är just på grund av så god termisk stabilitet att nano-aluminiumoxid anses vara ett bra värmeisoleringsmaterial och förväntas ge ett betydande bidrag till att förbättra säkerhetsprestanda för litiumjonbatterier.

För närvarande används nano-aluminiumoxid huvudsakligen för att belägga elektroder eller membran för att förbättra membranets säkerhet och minska den interna kortslutningshastigheten.

1. Keramisk beläggning med anod

För närvarande blandas keramiskt pulver vanligtvis med CMC och löses i avjoniserat vatten för att bilda en uppslamning. Uppslamningen beläggs sedan på polstycket, och tillståndet för polstycket under SEM efter torkning visas i figur 1. På bilderna (a) och (b) i figur 1 är det uppenbart att den keramiska beläggningen är enhetligt fördelas på ytan av den negativa elektroden i form av partiklar. Effekten av keramisk beläggning på litiumbatteriets prestanda är som följer:

Figur 1. SEM av två typer av icke cirkulerade negativa polstycken

1. Den keramiska beläggningen har ingen uppenbar inverkan på litiumbatteriets kapacitet;

2. Tillsats av keramiskt pulver ökar litiumbatteriets inre motstånd. Detta beror på att huvudkomponenten i den keramiska beläggningen är Al2O3, som är icke-ledande. Beläggning av keramik på ytan av det negativa elektrodmaterialet hindrar elektronernas väg till den negativa elektroden, så batteriets kroppsmotstånd ökar;

3. Cykelprestandan hos det keramiska beläggningsbatteriet är bättre än batteriet utan keramisk beläggning. Dessutom, genom att belägga keramiskt pulver på ytan av den negativa elektroden, genom att öka den negativa elektrodytans passiveringseffekt och förbättra den elektroniska isoleringen, kan försämringen av batteriets elektriska prestanda under lagringsförhållanden vid hög temperatur effektivt undertryckas. SEM-analys av batteripolstyckena efter cykling visas i figur 2.

Figur 2. SEM av negativ polstycke efter två cykler

Det framgår av figuren att ytan på den icke-keramiska belagda negativa elektroden är täckt med ett lager av fina partiklar, som antas vara en förening bildad genom litiumavsättning under laddnings- och urladdningsprocessen, medan ytan på keramisk belagd negativ elektrod är relativt slät och keramisk Jämnt fördelad på ytan av polstycket. Man kan spekulera i att batteriets cykelprestanda är relaterad till den keramiska beläggningen. Under batteriets cykel växer den negativa SEI-filmen och blir tjockare. En alltför tjock SEI-film förbrukar inte bara mer litiumjoner utan orsakar också litium under laddning. Joner kan inte vara väl inbäddade i den negativa elektroden, utan fälls ut på den negativa elektrodens yta eller till och med på separatorns yta, vilket resulterar i förlust av kapacitet under cykeln. Beläggning av ett skikt av keramisk separator på ytan av den negativa elektroden kan effektivt blockera tillväxten av den negativa elektroden SEI-filmen och därigenom minska förlusten av litiumjoner under cykeln. Dessutom kommer elektrolyten att fortsätta att sönderdelas under battericykeln, och den keramiska beläggningen har en viss vätskeabsorptionsförmåga, vilket kan förbättra elektrolytens kapacitetsretentionshastighet under långvariga laddnings- och urladdningscykler. Därför kan den keramiska beläggningen förbättra cykelprestandan hos det ternära litiumjonbatteriet.

4. Säkerheten för keramiskt belagda batterier är högre än för icke-keramiska belagda batterier. Två olika batterier utsattes för akupunkturförsök under samma experimentella förhållanden, och resultaten visas i figur 3.

Figur 3. Akupunkturresultat av två batterier

Det framgår av figur 3 att akupunkturens topptemperatur för det keramiska belagda batteriet är 123,1 ℃. Efter testet är batteriet svagt svagt utan rök eller explosion. topptemperaturen för det icke-keramiska belagda batteriet är 410 ℃. Under testet exploderade och rökte batteriet, topplocket bröts och testet misslyckades. Orsaken till ovanstående fenomen kan vara relaterad till den keramiska beläggningen på ytan av den negativa elektroden. Eftersom nålstansning simulerar en kortslutning i batteriet genereras en stor mängd värme på kort tid och den keramiska beläggningen på den negativa elektrodytan kan fördröja värmeförlusten under nålstansningsprocessen. Öka kraftigt, vilket fördröjer den termiska nedbrytningen av elektrolyten och undviker explosionen av batteriet på grund av en stor mängd gas som genereras på kort tid. Därför förbättrar den keramiska beläggningen säkerhetsprestanda för litiumjonbatterier.

2. Keramiskt membran

För närvarande förbättrar forskare främst batteriprestanda när det gäller positiva och negativa material, separatorer, elektrolyter och batteridesign. Bland dem är keramiska separatorer ett effektivt sätt att förbättra batteriets prestanda. Keramiska separatorer kan inte bara förbättra batteriets säkerhetsprestanda utan också förbättra batteriets cykelprestanda och minska självurladdningshastigheten. Det finns olika tillverkningsmetoder för keramiska membran, såsom kemisk ångavsättning och ytbeläggning. Keramiskt membran kan förbättra cykel och säkerhetsprestanda hos litiumjonbatterier, men dess beredningsprocess är svår att kontrollera och keramiken på membranet är också benägen att falla av under cykeln.

1. Morfologiska skillnader

Vanligt använda membran på marknaden är tillverkade av PP, PE eller två typer av kompositbearbetning. Även om dessa mikroporösa polyolefinseparatorer har utmärkt mekanisk hållfasthet och kemisk stabilitet, har dessa separatorer inre spänning under beredningsprocessen och spänningen frigörs i en miljö med hög temperatur och separatorn kommer att ha en uppenbar termisk krympningseffekt, vilket gör det positiva och negativa elektroder inuti batteriet Den direkta kontakten mellan materialet orsakar en intern kortslutning och ett säkerhetsfel uppstår. Beläggning av nanoaluminiumoxidpartiklar på separatorns yta kan effektivt förbättra litiumbatteriets säkerhet. Efter upplösning och blandning av det keramiska pulvret med PVDF och NMP och dispergering enhetligt slås på beläggningsmaskinen för att belägga det keramiska pulvret på PE-membranet. Tjockleken på den keramiska beläggningen kan kontrolleras och sedan görs det keramiska membranet genom torkning vid 80 ° C i 24 timmar. Mikromorfologin för det keramiska membranet visas i figur 4.

Figur 4. Mikromorfologi av PE och keramiskt membran

Det framgår av figuren att de belagda nano-A2O3-partiklarna helt täcker ytan på PE-membranet, och det finns en ojämn fördelning av stora hålrum mellan partiklarna. Förekomsten av dessa stora tomrum kan underlätta införandet och extraktionen av Li + och det har god vätskeupptagning och vätskeretention för elektrolyten, så att det inte påverkar laddnings- och urladdningsprestanda för litiumbatteriet efter beläggning är belagd.

2. Graden av värmekrympning

Den keramiska beläggningen hjälper till att förbättra membranets höga temperaturbeständighet. Lägg det keramiska membranet och det vanliga membranet i en låda vid olika temperaturer i 2 timmar. Det finns en stor skillnad i krympning mellan de två typerna av membran. De experimentella resultaten visas i figur 5.

Figur 5. Två grader av membrankrympning vid olika temperaturer

Membranet krymper vid hög temperatur eftersom membranet har inre spänning på grund av dragkraft och sträckning under förberedelseprocessen. I en hög temperaturmiljö orsakar rörelsen av membranets inre molekylära kedja att spänningen frigörs och krymper i ett stort område; men det keramiska beläggningsmembranet krymper vid 140. Membranets morfologi har inte förändrats förutom förändringen i membranets färg under bakningstillståndet ℃. När de oorganiska beläggningarna belagda på båda sidor av membranytan har hög temperaturbeständighet och värmeisoleringsprestanda, reduceras temperaturen på själva basmembranet så att membranet är vid hög temperatur. Den ursprungliga formen finns kvar i miljön.

3. Det keramiska membranet är fördelaktigt för att förbättra batterisäkerheten

Figur 6. Förhållandet mellan det inre motståndet och batteriets temperatur sammansatt med två typer av membran

PE-separatorn krymper i ett stort område när temperaturen är högre än smältpunkten, så att de positiva och negativa poldelarna inuti batteriet kommer direkt i kontakt och orsakar en intern kortslutning. Därför minskar det uppmätta batteriets inre motstånd snabbt; emellertid för den belagda avskiljaren även vid 150. Morfologin för själva avskiljaren ändras inte när den bakas vid at, så det kommer inte att finnas någon kortslutning inuti batteriet, vilket gör att det inre motståndet hos batteriet fortfarande ökar. PE-separator förlorar sin mekaniska stabilitet i miljöer med hög temperatur, vilket leder till direktkontakt mellan de positiva och negativa elektroderna inuti batteriet och orsaka kortslutning. Den keramiska beläggningsavskiljaren har hög temperaturbeständighet för att effektivt förhindra kortslutning inuti batteriet och förbättra batteriets säkerhetsprestanda.

4. Påverkan av keramiskt membran på batteriets livslängd

Litiumjonbatteriseparator isolerar inte bara de positiva och negativa poldelarna inuti batteriet, utan måste också ha god jonpermeabilitet. Eftersom den oorganiska beläggningen på separatorn ökar separatorns tjocklek, vilket kan påverka jonkonduktiviteten. Men experimentet visar (Figur 7) att dess inflytande är svagare, men membranet med keramisk beläggning har bättre cykelprestanda.

Figur 7. Jämförelse av cykelprestanda för två typer av membranbatterier

PP / PE-separatorer är icke-polära, med hydrofob yta och låg ytenergi. Det är svårt att våta och underhålla polära organiska elektrolyter såsom etylenkarbonat och propylenkarbonat, vilket direkt påverkar batteriets cykelprestanda och användning. Livslängd, medan ytan på oorganisk keramik är hydrofil på grund av närvaron av hydroxylgrupper, kan dess införande avsevärt förbättra vätnings- och retentionsförmågan hos membranet eller elektroden till elektrolyten och avsevärt förbättra batteriets cykelprestanda. Samtidigt har nano-aluminiumoxidpartiklarna en stor specifik yta, vilket kan förbättra vätbarheten och vätskeretentionen av elektrolyten till polstyckena, och bidrar också till batteriets livslängd.

För att sammanfatta:

Sammanfattningsvis har keramiska beläggningar en viktig inverkan på prestanda hos litiumjonbatterier, särskilt säkerhetsprestanda hos litiumbatterier. Keramiseringen av elektroden och membranytan kan inte bara avsevärt minska batteriets interna kortslutningshastighet och förbättra säkerheten utan också förbättra elektrolytvätbarheten för elektroden och membranet, minska polarisationen och förbättra batteriets totala prestanda. Därför är appliceringen av keramiska beläggningar en oundviklig trend i utvecklingen av litiumjonbatterier i framtiden.