Beschreiben Sie kurz die Rolle von Bindemitteln beim Zerfall von Lithium-Ionen-Batterien

Die meisten Studien zum Mechanismus des Zerfalls von Lithium-Ionen-Batterien konzentrieren sich auf positive und negative Materialien. Beispielsweise haben viele Studien gezeigt, dass der Verlust von aktivem Material, der erhöhte Innenwiderstand und andere Faktoren die Hauptfaktoren sind, die den Rückgang von Lithium-Ionen-Batterien verursachen, während sich das Bindemittel in Lithium befindet. Über die Rolle des Zerfalls von Ionenbatterien gibt es noch wenig Forschung. Obwohl das Bindemittel in Lithium-Ionen-Batterien klein ist (normalerweise weniger als 5% des Wirkstoffs), spielt das Bindemittel tatsächlich eine entscheidende Rolle. In einer Lithiumionenbatterie besteht die Rolle des Bindemittels darin, die Partikel des aktiven Materials und die Partikel des leitenden Mittels miteinander zu verbinden, um ein stabiles System zu bilden. Beim Laden und Entladen treten jedoch bestimmte Volumenänderungen an den positiven und negativen Elektroden auf, die diese stabile Struktur zerstören. Der häufigste Fall ist beispielsweise der in der folgenden Abbildung gezeigte Fall: Klebstoff / leitfähiges Mittel und aktive Materialpartikel. Zwischen ihnen tritt eine Schichtung auf, die zum Verlust von aktivem Material führt, was zu einer Verringerung der reversiblen Kapazität der Lithiumionenbatterie führt.

Um die Rolle des Klebstoffs beim Niedergang von Lithium-Ionen-Batterien zu analysieren, hat JMFoster die Modellmethode an die Universität von Portsmouth weitergegeben (kommen Sie, alle lesen mit mir: "Portsmouth", es gibt kein B-Box-Gefühl) Untersuchen Sie den Einfluss der Partikelform und der Zyklusrate des aktiven Materials auf die Bindungseigenschaften des Klebstoffs. Studien haben gezeigt, dass die ovalen Partikel die Belastung des oberen und unteren Teils der Partikel signifikant erhöhen können, nachdem der Klebstoff die Expansion des Elektrolyten absorbiert hat. Die große Lade- / Entladerate (über 1 ° C) erhöht auch die Belastung des Bindemittels auf der linken und rechten Seite der aktiven Materialpartikel erheblich, was sich auf die Zyklusleistung der Batterie auswirkt.

Das Modell von JMFoster besteht hauptsächlich aus drei Hypothesen: 1) Die Elektrode besteht aus kugelförmigen aktiven Materialpartikeln und elastischem porösem Klebstoff. Die Mikroporen des Klebstoffs sind mit Elektrolyt gefüllt. 2) Die aktiven Materialpartikel treten während des Prozesses der Lithiuminsertion und -delithiation auf. Volumenerweiterung; 3) Die Klebstoffexpansion tritt auf, nachdem der Klebstoff den Elektrolyten berührt.

Unter den oben genannten Annahmen verwendet JMFoster mathematische Methoden, um den Motor zu modellieren (da der Modellierungsprozess mit einem großen Maß an mechanischem Wissen entworfen wurde, bin ich hier kein Mechaniker und es gibt keine Möglichkeit, zur Tür zu gelangen. interessierte Freunde können den Originaltext einsehen), schauen wir uns direkt die Ergebnisse des Modells an.

In der eigentlichen Elektrode befinden sich zig Millionen aktive Materialpartikel und eine große Menge Klebstoff. Es ist offensichtlich unrealistisch, die gesamte Elektrode direkt zu lösen. Daher verwendet JMFoster eine vereinfachte Methode. JMFoster ist der Ansicht, dass die Kraft innerhalb der Elektrode mit Ausnahme der Position der Elektrodenkante sehr gleichmäßig ist, sodass wir den Lösungsprozess der gesamten Elektrode vereinfachen können, um die einzelnen aktiven Materialpartikel und den Klebstoff um sie herum zu lösen, was die Lösung erheblich vereinfacht Prozess des Modells.

Abbildung a unten zeigt die Spannungsverteilung des Bindemittels um die aktiven Materialpartikel nach der Absorption des Elektrolyten, und Abbildung c unten zeigt die Adhäsion der P- und E-Punkte der aktiven Materialpartikel nach der Absorption des Elektrolyten. Aus dem Diagramm können wir sehen, dass die Dehnung am P-Punkt nahe der Elektrodenoberfläche und am Stromkollektor nach der Expansion der Bindemittelabsorptionslösung und die Dehnung am E-Punkt auf der linken und rechten Seite des Partikels zunimmt. Aufgrund der Fließfähigkeit des Bindemittels wird das Bindemittel unter der Belastung von der Oberseite und der Unterseite der Partikel des aktiven Materials zu beiden Seiten des aktiven Materials gedrückt.

Abbildung b zeigt die Dehnungsverteilung des umgebenden Klebstoffs während der Volumenänderung der Partikel des aktiven Materials. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die durch die Volumenänderung des aktiven Materials verursachte Bindemittelspannungsverteilung nahezu gleichmäßig ist, eine sorgfältige Untersuchung jedoch immer noch ergibt. Die Dehnung des Klebstoffs auf der linken und rechten Seite des aktiven Materials ist immer noch höher als die Dehnung des Klebstoffs am oberen und unteren Ende des aktiven Materials, was darauf hinweist, dass der Klebstoff auf der linken und rechten Seite der aktiven Materialpartikel während der Zirkulation eher schichtet. Tatsächlich müssen wir jedoch beachten, dass, da die Volumenänderung des positiven aktiven Materials während des Zyklus sehr gering ist (NMC 2 bis 4% beträgt), die Änderung der Bindemitteldehnung, die durch die Volumenexpansion der Partikel des aktiven Materials verursacht wird, beträgt tatsächlich viel kleiner als das durch PVDF, die Volumenausdehnung, die durch die Absorption des Klebstoffs verursacht wird.

Die vorherige Analyse betraf kugelförmige Partikel, und in der Praxis hatten die von uns verwendeten Partikel viele andere Formen. Daher analysierte JMFoster die Auswirkungen verschiedener Partikelformen auf die Dehnung des Klebstoffs. Die folgende Abbildung zeigt die Auswirkung verschiedener Partikelformen auf die Dehnungsverteilung nach Absorption des Klebstoffs. Aus den Berechnungsergebnissen geht hervor, dass die Haftspannung der elliptischen Partikel am P-Punkt positiv und die Viskosität am E-Punkt positiv ist. Die Knotenbelastung ist negativ, was mit der vorherigen Analyse übereinstimmt. Gleichzeitig ist aus der folgenden Figur ersichtlich, dass die Ausrichtungsrichtung der elliptischen Partikel auch die Dehnung des Klebstoffs beeinflusst. Wenn die längere Seite der Ellipse parallel zur Oberfläche der Elektrode ist, wird die Dehnung des Klebstoffs signifikant erhöht.

Die folgende Abbildung zeigt die Dehnung des Klebstoffs bei unterschiedlichen Ladungsraten (Abbildung a ist die Dehnung des Klebstoffs in der positiven Elektrode, Abbildung b ist die Dehnung des Klebstoffs in der negativen Elektrode) und die langsamste bei der Berechnung verwendete Ladungsrate Wird benötigt. Der Ladevorgang wird um 3100 Uhr abgeschlossen, und die schnellste Laderate benötigt nur 0,031 Stunden, um den Ladevorgang abzuschließen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die hohe Laderate die Dehnung des Klebstoffs an der Position des aktiven Materialteilchens E signifikant erhöht, was zu Klebstoff und Aktivität führt. Das Problem der Schichtung von Materieteilchen im Allgemeinen führt zu einer Beschädigung der positiven und negativen Klebstoffe, wodurch die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie beeinträchtigt wird.

Die Arbeit von JMFoster ermöglicht uns ein klares Verständnis der Dehnungsverteilung des Klebstoffs um die aktiven Materialpartikel auf mikroskopischer Ebene und der Faktoren, die die Dehnungsverteilung des Klebstoffs beeinflussen - die Form der aktiven Materialpartikel und die Ladung und Entladungsrate Eine eingehende Diskussion hat eine gewisse Leitbedeutung für das Design von Elektrodenmaterialien und das Design von Lithium-Ionen-Batterieformulierungen.

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