Применение керамического покрытия в литиевой батарее

Литий-ионные аккумуляторы обладают выдающимися преимуществами, такими как высокое напряжение, большая емкость, небольшой размер, легкий вес, защита окружающей среды и длительный срок службы. Они широко используются в различных портативных электронных продуктах и ​​электромобилях. Тем не менее, все еще существуют определенные проблемы с безопасностью литий-ионных батарей, особенно проблемы их безопасности в таких условиях, как высокая температура, перезаряд и короткое замыкание, которые стали техническими проблемами, которые необходимо преодолеть, когда литий-ионные аккумуляторы силового типа применяются в больших масштабах.

В настоящее время многие производители литиевых батарей используют керамический порошок для покрытия отрицательных полюсов или керамических сепараторов и других материалов, связанных с" керамическим порошком" для повышения безопасности литиевых батарей. На самом деле керамический порошок - это не ГГ "керамический ГГ", а наноразмерные частицы оксида алюминия. Нанооксид алюминия - один из особых функциональных наноматериалов, имеющих важное прикладное значение и перспективы развития. Он обладает рядом превосходных характеристик, таких как высокая термическая стабильность, химическая стабильность, коррозионная стойкость и высокая твердость. Он широко используется в керамических и биологических материалах. Медицинские материалы, полупроводниковые материалы, носители катализаторов, материалы для поверхностного защитного слоя и оптические материалы. Именно из-за такой хорошей термической стабильности нанооксид алюминия считается хорошим теплоизоляционным материалом и, как ожидается, внесет значительный вклад в повышение безопасности литий-ионных батарей.

В настоящее время нанооксид алюминия в основном используется для покрытия электродов или диафрагм, чтобы повысить безопасность диафрагмы и снизить частоту внутреннего короткого замыкания.

1. Керамическое покрытие анода

В настоящее время керамический порошок обычно смешивают с КМЦ и растворяют в деионизированной воде с образованием суспензии. Затем суспензия наносится на полюсный наконечник, и состояние полюсного наконечника под SEM после высыхания показано на рисунке 1. На рисунках (a) и (b) на рисунке 1 видно, что керамическое покрытие равномерно распределены по поверхности отрицательного электрода в виде частиц. Влияние керамического покрытия на характеристики литиевых батарей следующее:

Рисунок 1. СЭМ двух видов отрицательных полюсных наконечников uncirculated

1. Керамическое покрытие не оказывает очевидного влияния на емкость литиевой батареи;

2. Добавление керамического порошка увеличит внутреннее сопротивление литиевой батареи. Это связано с тем, что основным компонентом керамического покрытия является непроводящий Al2O3. Керамическое покрытие на поверхности материала отрицательного электрода будет препятствовать пути электронов к отрицательному электроду, поэтому сопротивление корпуса батареи увеличится;

3. Циклические характеристики батареи с керамическим покрытием лучше, чем у батареи без керамического покрытия. Кроме того, нанесение керамического порошка на поверхность отрицательного электрода, усиление эффекта пассивации поверхности отрицательного электрода и улучшение электронной изоляции может эффективно подавить ухудшение электрических характеристик батареи в условиях хранения при высоких температурах. СЭМ-анализ полюсных наконечников батареи после езды на велосипеде показан на рисунке 2.

Рис. 2. СЭМ отрицательного полюса после двух циклов.

Из рисунка видно, что поверхность отрицательного электрода с некерамическим покрытием покрыта слоем мелких частиц, которые, как предполагается, представляют собой соединение, образованное осаждением лития в процессе заряда и разряда, в то время как поверхность отрицательного электрода Отрицательный электрод с керамическим покрытием является относительно гладким, а керамический материал равномерно распределен по поверхности полюсного наконечника. Можно предположить, что циклические характеристики аккумулятора связаны с керамическим покрытием. Во время цикла батареи негативная пленка SEI будет расти и становиться толще. Слишком толстая пленка SEI будет не только потреблять больше ионов лития, но и выделять литий во время зарядки. Ионы не могут быть хорошо встроены в отрицательный электрод, они осаждаются на поверхности отрицательного электрода или даже на поверхности сепаратора, что приводит к потере емкости во время цикла. Покрытие слоя керамического сепаратора на поверхности отрицательного электрода может эффективно блокировать рост пленки SEI отрицательного электрода, тем самым уменьшая потерю ионов лития во время цикла. Кроме того, электролит будет продолжать разлагаться во время цикла аккумуляторной батареи, а керамическое покрытие обладает определенной способностью абсорбировать жидкость, что может улучшить степень сохранения емкости электролита во время длительных циклов зарядки и разрядки. Следовательно, керамическое покрытие может улучшить циклические характеристики тройной литий-ионной батареи.

4. Безопасность батарей с керамическим покрытием выше, чем у батарей с некерамическим покрытием. Две разные батареи были подвергнуты экспериментам по иглоукалыванию в одних и тех же экспериментальных условиях, и результаты показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Результаты акупунктуры двух батареек.

Из рисунка 3 видно, что максимальная температура акупунктуры батареи с керамическим покрытием составляет 123,1 ℃. После теста аккумулятор немного вздулся, без дыма и взрыва; пиковая температура батареи без керамического покрытия составляет 410 ℃. Во время теста аккумулятор взорвался и задымился, верхняя крышка была сломана, и тест не прошел. Причина вышеупомянутого явления может быть связана с керамическим покрытием на поверхности отрицательного электрода. Поскольку пробивка иглой имитирует короткое замыкание в аккумуляторе, за короткое время будет выделяться большое количество тепла, а керамическое покрытие на поверхности отрицательного электрода может замедлить потерю тепла во время процесса пробивки иглы. Резко увеличивайте, тем самым задерживая термическое разложение электролита и избегая взрыва батареи из-за большого количества газа, генерируемого за короткое время. Таким образом, керамическое покрытие значительно улучшает характеристики безопасности литий-ионных батарей.

2. Керамическая диафрагма

В настоящее время исследователи в основном улучшают характеристики батарей с точки зрения положительных и отрицательных материалов, сепараторов, электролитов и конструкции батарей. Среди них керамические сепараторы - эффективный способ повысить производительность аккумулятора. Керамические сепараторы могут не только улучшить характеристики безопасности батареи, но также улучшить характеристики цикла батареи и снизить скорость саморазряда. Существуют различные методы производства керамических диафрагм, такие как химическое осаждение из паровой фазы и покрытие поверхности. Керамическая диафрагма может улучшить цикл и характеристики безопасности литий-ионных батарей, но процесс ее подготовки трудно контролировать, а керамика на диафрагме также склонна к выпадению во время цикла.

1. Морфологические различия

Обычно используемые на рынке диафрагмы изготавливаются из полипропилена, полиэтилена или двух видов композитной обработки. Хотя эти микропористые полиолефиновые сепараторы обладают превосходной механической прочностью и химической стабильностью, эти сепараторы испытывают внутреннее напряжение в процессе подготовки, и напряжение снимается в высокотемпературной среде, и сепаратор будет иметь очевидный эффект термической усадки, что делает положительные и отрицательные электроды внутри батареи Прямой контакт материала вызывает внутреннее короткое замыкание и нарушение безопасности. Нанесение наночастиц оксида алюминия на поверхность сепаратора может эффективно повысить безопасность литиевых батарей. После растворения и смешивания керамического порошка с PVDF и NMP и равномерного диспергирования включают машину для нанесения покрытия, чтобы нанести керамический порошок на полиэтиленовую диафрагму. Толщину керамического покрытия можно контролировать, а затем керамическую диафрагму изготавливают путем сушки при 80 ° C в течение 24 часов. Микроморфология керамической диафрагмы показана на рисунке 4.

Рис. 4. Микроморфология ПЭ и керамической диафрагмы.

Из рисунка видно, что покрытые частицы нано-A2O3 полностью покрывают поверхность полиэтиленовой мембраны, и между частицами наблюдается неравномерное распределение больших пустот. Наличие этих больших пустот может облегчить введение и извлечение Li +, и он обладает хорошими характеристиками абсорбции и удержания жидкости для электролита, так что он не влияет на характеристики зарядки и разрядки литиевой батареи после покрытие покрыто.

2. Степень термоусадки.

Керамическое покрытие способствует повышению термостойкости диафрагмы. Поместите керамическую диафрагму и обычную диафрагму в коробку при разных температурах на 2 часа. Между этими двумя типами диафрагм существует большая разница в усадке. Результаты экспериментов показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Две степени усадки диафрагмы при разных температурах.

Мембрана сжимается при высокой температуре, поскольку в ней возникает внутреннее напряжение из-за тяги и растяжения в процессе подготовки. В среде с высокой температурой движение внутренней молекулярной цепи диафрагмы вызывает снятие напряжения и сжатие на большой площади; но керамическое покрытие диафрагмы дает усадку при 140. Морфология самой диафрагмы не изменилась, за исключением изменения цвета диафрагмы в условиях обжига при ℃. Когда неорганические покрытия, нанесенные на обе стороны поверхности диафрагмы, обладают высокой термостойкостью и теплоизоляционными характеристиками, температура самой основной диафрагмы снижается, так что диафрагма находится на высокой температуре. Первоначальная форма остается в окружающей среде.

3. Керамическая диафрагма повышает безопасность аккумулятора.

Рис. 6. Соотношение между внутренним сопротивлением и температурой батареи, собранной с двумя типами диафрагм.

Сепаратор PE сжимается на большой площади, когда температура превышает его точку плавления, так что положительный и отрицательный полюсные наконечники внутри батареи напрямую контактируют и вызывают внутреннее короткое замыкание. Следовательно, измеренное внутреннее сопротивление батареи быстро уменьшается; тем не менее, для сепаратора с покрытием даже при 150. Морфология самого сепаратора не изменится при запекании при ℃, поэтому внутри батареи не будет короткого замыкания, что увеличивает внутреннее сопротивление батареи. Сепаратор PE потеряет свою механическую устойчивость в условиях высокой температуры, что приведет к прямому контакту положительного и отрицательного электродов внутри батареи и вызовет короткое замыкание. Сепаратор с керамическим покрытием обладает высокой термостойкостью, что позволяет эффективно предотвращать короткое замыкание внутри батареи и улучшать характеристики безопасности батареи.

4. Влияние керамической диафрагмы на срок службы батареи.

Разделитель литий-ионных аккумуляторов не только изолирует положительные и отрицательные полюса внутри аккумулятора, но также должен иметь хорошую ионную проницаемость. Поскольку неорганическое покрытие на сепараторе увеличивает толщину сепаратора, что может повлиять на ионную проводимость. Но эксперимент показывает (рис. 7), что его влияние слабее, но диафрагма с керамическим покрытием имеет лучшие рабочие характеристики.

Рисунок 7. Сравнение рабочих характеристик двух типов диафрагменных батарей.

Сепараторы PP / PE неполярные, с гидрофобной поверхностью и низкой поверхностной энергией. Сложно смачивать и поддерживать полярные органические электролиты, такие как этиленкарбонат и пропиленкарбонат, что напрямую влияет на характеристики цикла и использование батареи. Срок службы, хотя поверхность неорганической керамики является гидрофильной из-за присутствия гидроксильных групп, ее введение может значительно улучшить смачиваемость и способность удерживания диафрагмы или электрода к электролиту и значительно улучшить циклические характеристики батареи. В то же время частицы нанооксида алюминия имеют большую удельную поверхность, что может улучшить смачиваемость и удержание жидкости электролитом на полюсных наконечниках, а также способствует продлению срока службы батареи.

подводить итоги:

Таким образом, керамические покрытия оказывают важное влияние на характеристики литий-ионных батарей, особенно на характеристики безопасности литиевых батарей. Керамизация поверхности электрода и диафрагмы может не только значительно снизить скорость внутреннего короткого замыкания батареи и повысить безопасность, но также улучшить смачиваемость электролитом электрода и диафрагмы, уменьшить поляризацию и улучшить общие характеристики батареи. Поэтому нанесение керамических покрытий - это неизбежная тенденция развития литий-ионных аккумуляторов в будущем.