Die Beziehung zwischen Batteriebildungsparametern und chemischem Prozess

Der Bildungsprozess des SEI-Films im Bildungsprozess der Lithiumionenbatterie umfasst insbesondere die folgenden vier Schritte:

Schritt 1: Elektronen werden von der Innenseite der Stromkollektor-Leitmittel-Graphit-Partikel zu Punkt A übertragen, an dem der SEI-Film gebildet werden soll;

Schritt 2: Das solvatisierte Lithiumion wird von der positiven Elektrode zum Punkt B der Oberflächenschicht des SEI-Films diffundiert, der unter Einkapselung des Lösungsmittels gebildet wird;

Schritt 3: Die Elektronen am Punkt A diffundieren durch Elektronentunnelung zum Punkt B;

Schritt 4: Die zum Punkt B übergehenden Elektronen reagieren mit Lithiumsalz, solvatisiertem Lithiumion, Filmbildner usw., und der SEI-Film wird kontinuierlich auf der Oberfläche des ursprünglichen SEI-Films gebildet, so dass die Dicke des SEI-Films des Die Graphitpartikeloberfläche wird kontinuierlich vergrößert und schließlich wird eine vollständige SEI-Membran gebildet.

Es ist ersichtlich, dass der durch SEI gebildete Gesamtreaktionsprozess spezifisch in die obigen vier schrittweisen Reaktionen zerlegt werden kann und die vier schrittweisen Reaktionsprozesse den Filmbildungsprozess des gesamten SEI-Films bestimmen.

Schritt 1: Elektronen werden intern von den Stromkollektor-Leitmittel-Graphit-Partikeln zu Punkt A übertragen, an dem der SEI-Film gebildet werden soll.

Die Anzahl der Elektronen, die den Punkt A erreichen, wird durch die Gleichmäßigkeit des Stroms und des Stroms bestimmt, die bei der Formation zwischen der positiven und der negativen Elektrode verwendet werden: Je größer der Formationsstrom ist, desto größer ist der Strom, der durch das Elektrodenkissen einen Punkt fließt; Wenn die Unebenheit nahe beieinander liegt (a), ist der Strom größer; Wenn der Strom am Punkt a der Elektrode zunimmt, ist der Strom der aktiven Materialteilchen, die durch den Punkt a fließen, größer, dh die Anzahl der Elektronen, die den Punkt A pro Zeiteinheit erreichen, nimmt zu. Daher wird die am Punkt A ablaufende Filmbildungsreaktion geändert (wie im obigen Artikel beschrieben: Eine große Menge an Elektronen wird auf der Oberfläche der Graphitpartikel konzentriert, was mit größerer Wahrscheinlichkeit einen Zwei-Elektronen-Reaktionsprozess mit dem Filmbildner und Lithiumionen).

Schritt 2: Das solvatisierte Lithiumion wird von der positiven Elektrode zum B-Punkt der Oberflächenschicht des SEI-Films diffundiert, der unter Einkapselung des Lösungsmittels gebildet wird: Wenn die Zusammensetzung des Elektrolyten konstant ist, wird die Temperatur erhöht, die Viskosität des Elektrolyten wird abgesenkt und der Film gebildet. Der Transportwiderstand des solvatisierten Lithiumions im Elektrolyten nimmt ab; Gleichzeitig steigt die Leitfähigkeit des Elektrolyten mit steigender Temperatur (wie in der folgenden Abbildung gezeigt, Viskosität und Leitfähigkeit eines bestimmten Elektrolyten bei unterschiedlichen Temperaturen). Das obige Verfahren verursacht mehr Filmbildner und solvatisiertes Lithium Ionen, um Punkt B auf der Oberfläche der aktiven Materialpartikel pro Zeiteinheit zu erreichen, wodurch der filmbildende Reaktionsprozess am Punkt B beeinflusst wird (wie im vorherigen Artikel beschrieben: relativ weniger Elektronen (weil der Filmbildner mehr solvatisierte Lithiumionen) ) sammeln sich auf der Oberfläche der Graphitpartikel an, die mit größerer Wahrscheinlichkeit eine Einelektronenreaktion mit dem Filmbildner und den Lithiumionen eingehen).

Schritt 3: Die Elektronen am Punkt A diffundieren durch Elektronentunnelung zum Punkt B; Die Geschwindigkeit dieses Prozesses muss mit der Struktur und Zusammensetzung des gebildeten SEI-Films zusammenhängen: Je dichter der SEI-Film ist, desto höher ist der Anteil organischer Komponenten und die Wirkung der Blockierung von Elektronen. Je stärker der Widerstand, desto größer der Widerstand von die Elektronen durch die gleiche Entfernung. Die Dicke des zu diesem Zeitpunkt gebildeten SEI-Films ist geringer, und je geringer die Gesamtmenge der irreversiblen Reaktionen ist, desto höher ist der erste Wirkungsgrad der Batterie.

Schritt 4: Die zum Punkt B übergehenden Elektronen reagieren mit Lithiumsalz, solvatisiertem Lithiumion, Filmbildner usw., und der SEI-Film wird kontinuierlich auf der Oberfläche des ursprünglichen SEI-Films gebildet, so dass die Dicke des SEI-Films des Die Graphitpartikeloberfläche wird kontinuierlich vergrößert und schließlich wird eine vollständige SEI-Membran gebildet. Der sekundäre Prozess ist die freie Kollision und der kombinierte Reaktionsprozess. Je höher die Temperatur, desto schneller die molekulare Bewegung, desto höher die Kollisionswahrscheinlichkeit und je höher die Reaktionsgeschwindigkeit, desto geringer ist der Widerstand dieses Schritts.

Die obige Analyse beschreibt die spezifischen Auswirkungen verschiedener Prozessparameter auf den Bildungsprozess und die SEI-Filmbildung:

1. Der Formationsstrom und die Gleichmäßigkeit der Stromverteilung auf dem Elektrodenblatt beeinflussen die spezifische Zusammensetzung des SEI-Films.

2. Die Bildungstemperatur wirkt sich auf die Struktur und Zusammensetzung des SEI-Films aus.

Wie sollen wir also die Prozessparameter verarbeiten?

1. Die erste ist die Formationstemperatur:

Die Formationstemperatur beeinflusst hauptsächlich den chemischen Umwandlungseffekt, indem sie die Viskosität und Leitfähigkeit des Elektrolyten und die Ionendiffusionsrate des Elektrodenmaterials beeinflusst. Je höher die Formationstemperatur ist, desto niedriger ist im Allgemeinen die Viskosität des Elektrolyten, desto höher ist die Leitfähigkeit des Elektrolyten und desto schneller ist die Ionendiffusionsrate des Elektrodenmaterials. Je kleiner die Polarisation ist, desto besser ist der Bildungseffekt. Wenn jedoch die Temperatur zu hoch ist, wird die Struktur des gebildeten SEI-Films zerstört und seine Zusammensetzung wird geändert. Gleichzeitig ist der Elektrolyt eine organische Lösungsmittellösung, und die übermäßige Temperatur beschleunigt die Verflüchtigungsrate der niedrigsiedenden Komponente im Elektrolyten, was sich auf die Wirkung auswirkt. Daher wird empfohlen, dass die optionale Formationstemperatur RT ~ 90 ° C beträgt. Hochtemperaturbildung (45 ~ 70 ° C) kann verwendet werden, wenn die Laborbedingungen dies zulassen.

2. Zweitens der Abstand zwischen der positiven und der negativen Elektrode und die Abstandskonsistenz

Bei der Knopfbatterie sind die Faktoren, die den Abstand zwischen der positiven und der negativen Elektrode und die Abstandskonsistenz beeinflussen, hauptsächlich die Auswahl der Knopfbatterie und der Knopfbatteriebaugruppe.

1) Auswahl der Knopfbatterie: Der Knopfbatteriesatz sollte eine negative Hülle, ein Federstück, eine Dichtung, eine Lithiumfolie, einen Separator, eine Forschungselektrode, eine Kathodenhülle und andere Komponenten enthalten. Um den kürzesten Abstand zwischen positiven und negativen Folien zu gewährleisten, müssen Sie einen dünneren Isolierfilm wählen (dünner Separator hat einen kürzeren Ionenübertragungsabstand, ist jedoch leichter kurzzuschließen. Die Lösung der Branche besteht darin, Keramikbeschichtung und PVDF anzuwenden Behandlung auf der Oberfläche des Separatorsubstrats zur Lösung des Kurzschlusses zwischen der positiven und der negativen Elektrode. Problem, jedoch ist die Haftung zwischen der Behandlungsschicht und dem Separatorsubstrat begrenzt. Es wird empfohlen, es direkt ohne Ultraschallreinigung des Separators zu verwenden Im Allgemeinen muss die Industrie den Separator beim Zusammenbau der Batterie nicht mit Ultraschall reinigen. Die Industrie hat 7 um oder sogar dünnere Separatoren verwendet und verarbeitet dann Keramik, PVDF usw. auf ihrer Oberfläche, um den Abstand zwischen dem Positiv herzustellen und negative Elektroden gleichmäßig, ist es notwendig, Federplatten zum Spannungspuffern und Nivellieren zu verwenden, einschließlich flacher Dichtungen, flacher Lithium s Heets und flache Forschungselektroden.

2) Knopfbatterie: Es wird empfohlen, für die Stromversorgung doppelte Dichtungen zu verwenden (wie in der Abbildung gezeigt). Da die Dichtung flach und steif ist und sich nicht leicht verformen lässt, wird die Elektrode zwischen zwei Dichtungen gelegt. Die Elektrode effektiv abflachen, so dass der Abstand zwischen der positiven und der negativen Elektrode groß ist. (Dr. Ke wird dem allgemeinen Pulver dringend empfohlen, den Akku für den Klud zu kaufen. Der Gruppenkaufpreis beträgt 0,6 Yuan / Satz (einschließlich Batteriefach + Federstück +). Ein Stück Dichtung)).

3. Schließlich der Bildungsprozess

Der Bildungsprozess einer Lithiumionenbatterie bezieht sich hauptsächlich auf den Aktivierungsprozess der Batterie, insbesondere auf einen Prozess, bei dem ein filmbildendes Additiv unter einem bestimmten Strom eine Festelektrolytmembran auf der Oberfläche der elektrodenaktiven Materialpartikel bildet. Die Prozessparameter, die den gesamten Prozess beeinflussen, sind hauptsächlich der Formationsstrom und die Formationsgrenzspannung, die speziell von der chemischen Umformausrüstung (chemische Umformmaschine) gesteuert werden.

1) Chemikalisierung: In dem obigen Artikel hat Dr. Ke Ihnen bereits mitgeteilt, dass bei Verwendung eines großen Stroms mit größerer Wahrscheinlichkeit eine Zwei-Elektronen-Reaktion auftritt, dh zwei Elektronen können gleichzeitig an der Reaktion teilnehmen und es ist einfacher, eine anorganische Lithiumsalzkomponente zu erzeugen, und zu diesem Zeitpunkt ist es wahrscheinlicher, dass die SEI-Membranmoleküle überladen sind und die Struktur lockerer ist, die entsprechende Dicke größer ist und die irreversible Reaktion größer ist; Wenn der kleine Strom gebildet wird, tritt die Einzelelektronenreaktion eher auf, dh die Reaktion kann nur durch eine Elektronenbeteiligung durchgeführt werden, dementsprechend wird die organische Lithiumsalzkomponente leichter gebildet, und zu diesem Zeitpunkt der SEI Membranmoleküle lassen sich leichter ordnen und stapeln und die Struktur ist dichter, die entsprechende Dicke ist kleiner und die irreversible Reaktion ist geringer.

2) Bildung der Abschaltspannung: Der Bildungsprozess ist der Prozess der Bildung eines SEI-Films auf der Oberfläche der Partikel des aktiven Materials durch das filmbildende Additiv, und der Prozess der Bildung des SEI-Films ist ein irreversibler Reaktionsprozess Es ist nur erforderlich, die Formationsgrenzspannung einzustellen, um die Reaktion des filmbildenden Additivs zu vervollständigen. Oberhalb des vollständigen Potentials kann die Filmbildungsreaktion ausreichend durchgeführt werden. Das Filmbildungspotential allgemeiner filmbildender Additive (wie VC, FEC) ist zwar niedriger als 3,0 V (Potential zu Lithiummetall), aber aufgrund der vorhandenen Polarisation muss sichergestellt werden, dass die Bildung vollständig durchgeführt wird Für die Untersuchung von Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial kann das Abschaltpotential auf 3,5 V bis 3,8 V eingestellt werden (dh, wenn es gebildet wird, ist nur ein kleiner Strom erforderlich, um auf 3,5 V aufgeladen zu werden, dann das Der Akku kann mit normalem Lade- und Entladestrom geladen und entladen werden. Für die Untersuchung von Anodenmaterialien für Lithiumionenbatterien kann das Formationsgrenzpotential auf etwa 0,3 V eingestellt werden.

Durch Optimieren des oben beschriebenen Formationsstroms und der Bildung der Abschaltspannung kann nicht nur eine Batterie mit besserer Leistung erhalten werden, sondern auch die Formationszeit kann stark verkürzt werden, der Besitz der chemischen Umwandlungsausrüstung kann verringert werden und die Forschungskosten können reduziert werden. Wie kann man bei einem neuen System feststellen, ob die Größe des verwendeten Formationsstroms optimal ist, und wie wird die Abschaltspannung gewählt? Dr. Kolu Deke wird eine einfache und effektive Überprüfungsmethode vorstellen: Versuch und Irrtum.

Nehmen Sie am Beispiel des Lithiumcobaltat / Graphit-Systems VC und FEC als Additive, wählen Sie 0,02 ° C für die Querstromladung, bis die Batterie vollständig aufgeladen ist (4,2 V), berechnen Sie den Wert von dQ / dV und stellen Sie dQ / dV-V her . In der Grafik, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, ist die erste Reaktionspeakposition (~ 2,8 V) das Potential für das filmbildende Additiv, sich in einen Film zu zersetzen, und das Abschaltpotential beträgt ~ 2,92 V; dann wird der 0,03C-Strom für die parallele Probenbildung ausgewählt. Die erste Reaktionspeakposition (~ 2,8 V) ist das Potential, bei dem sich das filmbildende Additiv in einen Film zersetzt, und das Abschaltpotential beträgt ~ 2,94 V. Schließlich wird der Strom von 0,05 ° C für die parallele Probenbildung ausgewählt und die erste Reaktionspeakposition wird erhalten (~ 2,9) .V) ist das Potential, bei dem sich das filmbildende Additiv in einen Film zersetzt, und das Abschaltpotential beträgt ~ 3,16 V. Aus den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, dass sich die Dichtungen der Filmbildungsreaktion überlappen und keinen großen Einfluss auf die Filmbildung haben, wenn der Strom von 0,02 ° C zu 0,03 ° C gebildet wird. Wenn jedoch 0,05 ° C gebildet wird, wird die Spitzenposition offensichtlich nach rechts verschoben und die Polarisation wird erhöht. Groß, hat einen Einfluss auf den Formationseffekt. Ab dem Zeitpunkt der Speicherung der Formation und der Winkelanalyse der Zelle mit ausgezeichneter Leistung ist die Auswahl eines Stroms von 0,03 ° C ein besseres Ergebnis. Wenn die Bildung unterschiedlicher Formationsströme verwendet wird, betragen die Grenzpotentiale der Filmbildungsreaktion 2,92 V, 2,94 V bzw. 3,16 V, und unter dem Gesichtspunkt einer ausreichenden Reaktion kann die Bildung des Grenzpotentials ausgewählt werden 3,5 V sein. Das heißt, der chemische Umwandlungsprozess wird abgeschlossen, indem ein konstanter Strom von 0,03 ° C auf 3,5 V geladen wird.

Die obige Analyse für den allgemeinen Abschnitt des Pulvers zur Ausarbeitung der Lithium-Ionen-Batterie-Forschung, die Bildung des chemischen Prozesses:

1. Formationstemperatur: RT ~ 90 ° C; vorzugsweise 45 bis 70 ° C;

2. Der Abstand zwischen der positiven und der negativen Elektrode und die Abstandskonsistenz: Die dünne Membran und die doppelte Dichtung werden zum Zusammenbau und Abzug ausgewählt.

3. Formationsprozess: Versuch und Irrtum Methode zur Optimierung der Strombildung und der Formationsfrist.

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