تطبيق طلاء السيراميك في بطارية الليثيوم

بطاريات ليثيوم أيون لها مزايا بارزة مثل الجهد العالي، قدرة عالية، صغيرة الحجم، خفيفة الوزن، حماية البيئة وحياة طويلة. وقد استخدمت على نطاق واسع في مختلف المنتجات الإلكترونية المحمولة والسيارات الكهربائية. ومع ذلك، لا تزال هناك مشاكل معينة في سلامة بطاريات الليثيوم أيون، وخاصة مشاكل السلامة الخاصة بها في ظل ظروف مثل ارتفاع درجة الحرارة، والشحن الزائد، والدوائر القصيرة، والتي أصبحت مشاكل تقنية يجب التغلب عليها عند تطبيق بطاريات الليثيوم أيون من نوع الطاقة على نطاق واسع.

في الوقت الحاضر، العديد من مصنعي بطاريات الليثيوم استخدام مسحوق السيراميك لمعطف القطع القطب السلبي أو فواصل السيراميك وغيرها من المواد المتعلقة "مسحوق السيراميك" لتحسين سلامة بطاريات الليثيوم. في الواقع، مسحوق السيراميك ليس "السيراميك"، ولكن جزيئات الألومنيوم نانو الحجم. نانو الألومينا هي واحدة من مواد نانو وظيفية خاصة مع قيمة التطبيق الهامة وآفاق التنمية. لديها سلسلة من الخصائص الممتازة مثل الاستقرار الحراري العالي، والاستقرار الكيميائي، ومقاومة التآكل وصلابة عالية. ويستخدم على نطاق واسع في المواد الخزفية والمواد البيولوجية. المواد الطبية، والمواد شبه الموصلة، الناقلين محفز، مواد طبقة حماية السطح والمواد البصرية. هو على وجه التحديد بسبب هذا الاستقرار الحراري الجيد أن نانو الألومينا يعتبر مادة جيدة العزل الحراري ومن المتوقع أن تسهم إسهاما كبيرا في تحسين الأداء سلامة بطاريات ليثيوم أيون.

حاليا، نانو الألومينا يستخدم أساسا لمعطف أقطاب كهربائية أو الحجاب الحاجز لتحسين سلامة الحجاب الحاجز والحد من معدل الدائرة القصيرة الداخلية.

1. طلاء السيراميك الأنود

في الوقت الحاضر، يتم خلط مسحوق السيراميك عموما مع CMC وحلها في المياه ديوند لتشكيل الطين. ثم يتم تغليف الطين على قطعة القطب ، وتظهر حالة قطعة القطب تحت SEM بعد التجفيف في الشكل 1. في الصور (أ) و (ب) في الشكل 1 ، من الواضح أن الطلاء السيراميك موزع بشكل موحد على سطح القطب السالب في شكل جزيئات. تأثير طلاء السيراميك على أداء بطاريات الليثيوم هو كما يلي:

الشكل 1- الـ 1 SEM من نوعين من القطع القطب السالب غير المُعاد توزيعها

1. طلاء السيراميك ليس له تأثير واضح على قدرة بطارية الليثيوم؛

2. إضافة مسحوق السيراميك سيزيد من المقاومة الداخلية للبطارية الليثيوم. وذلك لأن العنصر الرئيسي من طلاء السيراميك هو Al2O3، وهو غير موصل. طلاء السيراميك على سطح المادة القطب السالب سيعيق مسار الإلكترونات إلى القطب السالب ، وبالتالي فإن مقاومة الجسم للبطارية ستزداد ؛

3. أداء دورة من بطارية طلاء السيراميك هو أفضل من تلك التي من البطارية دون طلاء السيراميك. وبالإضافة إلى ذلك، من خلال طلاء مسحوق السيراميك على سطح القطب السالب، عن طريق زيادة تأثير تخميل سطح القطب السلبي وتعزيز العزل الإلكتروني، يمكن أن يكون تدهور الأداء الكهربائي للبطارية في ظل ظروف تخزين درجة حرارة عالية قمعها بشكل فعال. يتم عرض تحليل SEM لقطع قطب البطارية بعد ركوب الدراجات في الشكل 2 المبين.

الشكل 2- الانبعاثات 2 من 100 SEM من قطعة القطب السلبية بعد دورتين

ويمكن ملاحظة من الرقم أن سطح القطب السلبي غير السيراميك المغلفة مغطى بطبقة من الجسيمات الدقيقة ، والتي يفترض أنها مركب يتكون من ترسب الليثيوم أثناء عملية الشحن والتفريغ ، في حين أن سطح القطب السلبي المغلفة السيراميك سلس نسبيًا وسيراميًا موزعًا بالتساوي على سطح قطعة القطب. ويمكن التكهن بأن أداء دورة البطارية يرتبط طلاء السيراميك. خلال دورة البطارية، سوف ينمو فيلم SEI السلبي ويصبح أكثر سمكا. فيلم SEI سميكة بشكل مفرط لن تستهلك فقط المزيد من أيونات الليثيوم، ولكن أيضا يسبب الليثيوم أثناء الشحن. لا يمكن أن تكون الأيونات مدمجة بشكل جيد في القطب السالب ، ولكنها تترسب على سطح القطب السالب أو حتى على سطح الفاصل ، مما يؤدي إلى فقدان القدرة أثناء الدورة. طلاء طبقة من فاصل السيراميك على سطح القطب السالب قد تكون قادرة على منع نمو فعال من الفيلم SEI القطب السالب، وبالتالي الحد من فقدان أيونات الليثيوم خلال الدورة. بالإضافة إلى ذلك، سوف يستمر المنحل بالكهرباء في التحلل أثناء دورة البطارية، وطلاء السيراميك لديه قدرة امتصاص سائل معينة، والتي يمكن أن تحسن معدل الاحتفاظ بالقدرة على المنحل بالكهرباء خلال دورات الشحن والتفريغ على المدى الطويل. لذلك، يمكن لطلاء السيراميك تحسين أداء دورة بطارية ليثيوم أيون الثلاثي.

4. سلامة البطاريات المغلفة السيراميك أعلى من تلك البطاريات المغلفة غير السيراميك. وقد أُخضعت بطاريتان مختلفتان لتجارب الوخز بالإبر في ظل نفس الظروف التجريبية، وتظهر النتائج في الشكل 3.

الشكل 3- الانبعاثات 100-11 نتائج الوخز بالإبر من اثنين من البطاريات

ويمكن ملاحظة من الشكل 3 أن ذروة درجة حرارة الوخز بالإبر للبطارية المغلفة السيراميك هو 123.1 درجة مئوية. بعد الاختبار ، تكون البطارية منتفخة قليلاً دون دخان أو انفجار ؛ درجة حرارة الذروة للبطارية غير المغلفة السيراميك هو 410 درجة مئوية. وخلال الاختبار، انفجرت البطارية ودخنت، وانكسر الغطاء العلوي، وفشل الاختبار. قد يكون سبب الظاهرة المذكورة أعلاه متعلقًا بطلاء السيراميك على سطح القطب السالب. منذ الإبرة اللكم يحاكي دائرة قصيرة في البطارية، سيتم توليد كمية كبيرة من الحرارة في وقت قصير، وطلاء السيراميك على سطح القطب السلبي يمكن أن يؤخر فقدان الحرارة أثناء عملية اللكم إبرة. زيادة حادة ، وبالتالي تأخير التحلل الحراري للالكتروليت ، وتجنب انفجار البطارية بسبب كمية كبيرة من الغاز ولدت في وقت قصير. ولذلك، فإن طلاء السيراميك يحسن بشكل كبير من سلامة أداء بطاريات ليثيوم أيون.

2. الحجاب الحاجز السيراميك

في الوقت الحاضر، والباحثين أساسا تحسين أداء البطارية من حيث المواد الإيجابية والسلبية، والفواصل، والشوارد، وتصميم البطارية. من بينها، فواصل السيراميك هي وسيلة فعالة لتحسين أداء البطارية. يمكن للفواصل السيراميك ليس فقط تحسين أداء سلامة البطارية، ولكن أيضا تحسين أداء دورة البطارية وخفض معدل التفريغ الذاتي. هناك طرق تصنيع مختلفة للغشاء السيراميك، مثل ترسب البخار الكيميائي وطلاء السطح. يمكن أن يحسن الحجاب الحاجز الخزفي دورة وسلامة أداء بطاريات أيونات الليثيوم ، ولكن من الصعب التحكم في عملية إعداده ، والسيراميك على الحجاب الحاجز عرضة أيضًا للسقوط أثناء الدورة.

1. الاختلافات المورفولوجية

يتم إجراء الحجاب الحاجز شائعة الاستخدام في السوق من PP، PE، أو نوعين من تجهيز مركب. على الرغم من أن هذه الفواصل البولي سفينة صغيرة لديها قوة ميكانيكية ممتازة والاستقرار الكيميائي، وهذه الفواصل لديها الإجهاد الداخلي أثناء عملية التحضير، ويتم تحرير الإجهاد في بيئة درجة حرارة عالية، والفاصل سيكون لها تأثير انكماش حراري واضح، مما يجعل الأقطاب الإيجابية والسلبية داخل البطارية الاتصال المباشر للمادة يسبب دائرة داخلية قصيرة ويحدث فشل السلامة. طلاء جزيئات الألومينا نانو على سطح الفاصل يمكن أن تحسن بشكل فعال سلامة بطاريات الليثيوم. بعد حل وخلط مسحوق السيراميك مع PVDF وNMP و تفريق موحد، يتم تشغيل آلة طلاء على معطف مسحوق السيراميك على الحجاب الحاجز. يمكن التحكم في سمك الطلاء السيراميك ، ثم يتم إجراء الحجاب الحاجز السيراميك عن طريق التجفيف عند 80 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. يظهر مورفولوجيا الغشاء الخزفي في الشكل 4.

الشكل 4- الانبعاثات 100 مورفولوجيا صغيرة من PE وغشاء غشاء السيراميك

ويمكن ملاحظة ذلك من الرقم الذي يغطي فيه جسيمات النانو-A2O3 المغلفة تماما سطح غشاء PE، وهناك توزيع غير متساو للفراغات الكبيرة بين الجسيمات. وجود هذه الفراغات الكبيرة يمكن أن تسهل الإدراج واستخراج لي + ولها امتصاص السوائل جيدة وأداء الاحتفاظ بالسائل للالكتروليت، بحيث لا يؤثر على أداء الشحن والتفريغ من بطارية الليثيوم بعد طلاء المغلفة.

2. درجة انكماش الحرارة

طلاء السيراميك هو مفيد لتحسين مقاومة درجة الحرارة العالية من الحجاب الحاجز. وضع الحجاب الحاجز السيراميك والحجاب الحاجز العادي في مربع في درجات حرارة مختلفة لمدة 2 ساعة. هناك فرق كبير في الانكماش بين نوعين من الحجاب الحاجز. وتظهر النتائج التجريبية في الشكل 5.

الشكل 5- الانبعاثات 100-10 درجتان من انكماش الحجاب الحاجز في درجات حرارة مختلفة

يتقلص الحجاب الحاجز في درجة حرارة عالية لأن الحجاب الحاجز لديه إجهاد داخلي بسبب الجر والتمدد أثناء عملية التحضير. في بيئة درجة حرارة عالية ، تؤدي حركة السلسلة الجزيئية الداخلية للغشاء الحاجز إلى إطلاق الاجهاد وانكماشه في منطقة كبيرة ؛ ولكن الحجاب الحاجز طلاء السيراميك ينكمش في 140 لم يتغير مورفولوجيا الحجاب الحاجز نفسه باستثناء التغيير في لون الحجاب الحاجز تحت حالة الخبز من درجة مئوية. عندما الطلاء غير العضوية المغلفة على جانبي سطح الحجاب الحاجز المقاومة العالية للحرارة و الحرارة العزل الأداء، يتم تخفيض درجة حرارة الحجاب الحاجز قاعدة نفسها، بحيث الحجاب الحاجز في درجة حرارة عالية. يبقى الشكل الأصلي في البيئة.

3. الحجاب الحاجز السيراميك مفيد لتحسين سلامة البطارية

الشكل 6- الانبعاثات 100-11 العلاقة بين المقاومة الداخلية ودرجة حرارة البطارية المجمعة مع نوعين من الحجاب الحاجز

ينكمش فاصل PE في منطقة كبيرة عندما تكون درجة الحرارة أعلى من نقطة الانصهار ، بحيث أن قطع القطب الموجبة والسلبية داخل البطارية تتصل مباشرة وتسبب ماسًا كهربائيًا داخليًا. لذلك، المقاومة الداخلية للبطارية قياس انخفاض بسرعة؛ ومع ذلك، للفاصل المغلف حتى في 150 سوف مورفولوجيا الفاصل نفسه لا تتغير عندما خبز في درجة مئوية، لذلك لن يكون هناك دائرة قصيرة داخل البطارية، مما يجعل المقاومة الداخلية للبطارية لا تزال تزيد. سوف تفقد فاصل PE استقرارها الميكانيكي في بيئة درجة حرارة عالية، مما سيؤدي إلى الاتصال المباشر بين الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية داخل البطارية ويسبب ماس كهربائي. وطلاء السيراميك فاصل لديه مقاومة عالية لدرجة الحرارة لمنع فعال دائرة قصيرة داخل البطارية وتحسين سلامة أداء البطارية.

4. تأثير الحجاب الحاجز السيراميك على عمر البطارية

بطارية ليثيوم أيون فاصل لا يعزل فقط القطع القطب الإيجابية والسلبية داخل البطارية، ولكن أيضا يحتاج إلى أن يكون نفاذية الأيونية جيدة. لأن طلاء غير العضوية على الفاصل سيزيد من سمك الفاصل، والتي قد تؤثر على الموصلية أيون. ولكن التجربة تثبت (الشكل 7) تأثيرها أضعف، ولكن الحجاب الحاجز مع طلاء السيراميك لديه أداء دورة أفضل.

الشكل 7- الانبعاثات 100-10 مقارنة أداء الدورة من نوعين من بطاريات الحجاب الحاجز

PP / PE فواصل غير القطبية، مع سطح مذبّد والطاقة السطحية المنخفضة. من الصعب رطوبة وصيانة الشوارد العضوية القطبية مثل كربونات الإيثيلين و كربونات البروبيلين، مما يؤثر بشكل مباشر على أداء الدورة واستخدام البطارية. الحياة، في حين أن سطح السيراميك غير العضوية هو هيدروفيلي بسبب وجود مجموعات الهيدروكسيل، يمكن أن يؤدي إدخالها إلى تحسين كبير في القدرة على التبول والاحتفاظ بها من الحجاب الحاجز أو القطب الكهربائي إلى المنحل بالكهرباء، وتحسين أداء دورة البطارية بشكل كبير. وفي الوقت نفسه، فإن جزيئات نانو-الألومينا لها مساحة سطحية كبيرة محددة، والتي يمكن أن تحسن من قابلية الاشتعال والإبقاء على السائل من المنحل بالكهرباء إلى قطع القطب، كما أنها تؤدي إلى حياة دورة البطارية.

لتلخيص:

باختصار، طلاء السيراميك له تأثير مهم على أداء بطاريات الليثيوم أيون، وخاصة الأداء الآمن لبطاريات الليثيوم. يمكن للسيراميك من القطب وسطح الحجاب الحاجز ليس فقط بشكل كبير تقليل معدل الدائرة القصيرة الداخلية للبطارية وتحسين السلامة ، ولكن أيضا تحسين النتبة المنحل بالكهرباء من القطب والحجاب الحاجز ، والحد من الاستقطاب ، وتحسين الأداء العام للبطارية. ولذلك، فإن تطبيق الطلاء السيراميك هو اتجاه لا مفر منه في تطوير بطاريات ليثيوم أيون في المستقبل.