Nikkel-koobalt-mangaan kolmekomponentne materjal on praeguse aku üks peamisi materjale. Kolmel elemendil on katoodmaterjali jaoks erinev tähendus, mille hulgas on niklielemendi eesmärk aku mahutavuse parandamine. Mida suurem on niklisisaldus, seda suurem on materjali erimahtuvus. NCM811 erivõimsus on 200 mAh/g ja tühjendusplatvorm umbes 3.8 V, millest saab teha suure energiatihedusega aku. NCM811 aku probleemiks on aga halb ohutus ja kiire eluea vähenemine. Millised põhjused mõjutavad selle tsükli eluiga ja ohutust? Kuidas seda probleemi lahendada? Järgnev on põhjalik analüüs:

NCM811-st valmistati nööppatarei (NCM811/Li) ja painduv aku (NCM811/grafiit) ning testiti vastavalt selle grammi mahtu ja täismahtuvust. Pehme paketi aku jagati ühe teguri katse jaoks nelja rühma. Parameetri muutujaks oli väljalülituspinge, mis oli vastavalt 4.1 V, 4.2 V, 4.3 V ja 4.4 V. Esiteks töödeldi akut kaks korda 0.05 °C juures ja seejärel 0.2 °C juures 30 °C juures. Pärast 200 tsüklit on pehme aku aku tsükli kõver näidatud alloleval joonisel:

Jooniselt on näha, et kõrge katkestuspinge tingimustes on nii elusaine kui ka patarei grammimahtuvus kõrge, kuid ka aku ja materjali grammimaht laguneb kiiremini. Vastupidi, madalamal väljalülituspingel (alla 4.2 V) väheneb aku maht aeglaselt ja tsükli eluiga pikeneb.

Selles katses uuriti parasiitreaktsiooni isotermilise kalorimeetria abil ning katoodmaterjalide struktuuri ja morfoloogilist lagunemist tsükliprotsessi ajal uuriti XRD ja SEM abil. Järeldused on järgmised:

Pilt

Esiteks ei ole struktuurimuutused aku tööea vähenemise peamine põhjus

XRD ja SEM tulemused näitasid, et pärast 4.1 tsüklit 4.2 c juures ei olnud aku osakeste morfoloogias ja aatomistruktuuris selget erinevust, kui elektrood ja väljalülituspinge olid 4.3 V, 4.4 V, 200 V ja 0.2 V. Seetõttu ei ole elusaine kiire struktuurimuutus laadimise ja tühjenemise ajal aku tööea lühenemise peamine põhjus. Selle asemel on parasiitreaktsioonid elektrolüüdi ja deliitiumi olekus elava aine väga reaktsioonivõimeliste osakeste vahelises liideses 4.2 V kõrgepinge tsükli korral aku eluea vähenemise peamiseks põhjuseks.

(1) SEM

Pilt

Pilt

A1 ja A2 on ringluseta aku SEM-kujutised. B ~ E on positiivse elektroodi elusmaterjali SEM-kujutised pärast 200 tsüklit temperatuuril 0.5 °C ja laadimise katkestuspingel vastavalt 4.1 V/4.2 V/4.3 V/4.4 V. Vasak pool on elektronmikroskoobi kujutis väikese suurendusega ja paremal pool on elektronmikroskoobi pilt suure suurendusega. Nagu ülaltoodud jooniselt näha, ei ole tsirkuleeriva aku ja mittetsirkuleeriva aku vahel osakeste morfoloogias ja purunemisastmes olulist erinevust.

(2) XRD kujutised

Nagu ülaltoodud jooniselt näha, pole viie tipu kuju ja asukoha vahel ilmset erinevust.

(3) Võre parameetrite muutmine

Pilt

Nagu tabelist näha, on järgmised punktid:

1. Tsüklita polaarsete plaatide võrekonstandid on kooskõlas NCM811 eluspulbri omadega. Kui tsükli katkestuspinge on 4.1 V, ei erine võrekonstant oluliselt kahest eelmisest ja C-telg suureneb veidi. C-telje võre konstandid pingega 4.2 V, 4.3 V ja 4.4 V ei erine oluliselt 4.1 V (0.004 angms) omadest, samas kui A-telje andmed on üsna erinevad.

2. Viies rühmas Ni sisalduses olulisi muutusi ei toimunud.

3. Polaarplaatidel, mille tsirkulatsioonipinge on 4.1 V 44.5° juures, on suur FWHM, samas kui teistel kontrollrühmadel on sarnane FWHM.

Aku laadimise ja tühjenemise protsessis on C-teljel suur kokkutõmbumine ja paisumine. Aku tööea lühenemine kõrgepinge korral ei ole tingitud elusaine struktuuri muutustest. Seetõttu kinnitavad ülaltoodud kolm punkti, et struktuurimuutused ei ole aku tööea lühenemise peamine põhjus.

Pilt

Teiseks on NCM811 aku tsükli eluiga seotud akus toimuva parasiitreaktsiooniga

NCM811 ja grafiit tehakse painduvateks pakkelementideks, kasutades erinevaid elektrolüüte. Seevastu kahe rühma elektrolüüdile lisati vastavalt 2% VC ja PES211 ning kahe rühma mahutavuse säilitamise määr näitas pärast akutsüklit suurt erinevust.

Pilt

Ülaltoodud joonise kohaselt, kui 2% VC-ga aku väljalülituspinge on 4.1 V, 4.2 V, 4.3 V ja 4.4 V, on aku mahutavuse säilitamise määr pärast 70 tsüklit 98%, 98%, 91 vastavalt % ja 88%. Juba pärast 40 tsüklit vähenes aku mahutavuse säilitamise määr, millele on lisatud PES211, 91%, 82%, 82%, 74%. Oluline on see, et eelmistes katsetes oli NCM424/grafiit- ja NCM111/grafiitsüsteemide aku tööiga PES211-ga parem kui 2% VC-ga. See toob kaasa eelduse, et elektrolüütide lisandid mõjutavad märkimisväärselt aku kasutusaega kõrge niklisisaldusega süsteemides.

Samuti on ülaltoodud andmetest näha, et tsükli eluiga kõrgepingel on palju hullem kui madalpingel. Polarisatsiooni, △V ja tsükliaegade sobitusfunktsiooni abil saab saada järgmise joonise:

Pilt

Näha on, et madalal väljalülituspingel sõites on aku △V väike, aga pinge tõusul üle 4.3V tõuseb △V järsult ja suureneb aku polarisatsioon, mis mõjutab oluliselt aku tööiga. Samuti on jooniselt näha, et VC ja PES211 △V muutuskiirus on erinev, mis kinnitab veelgi, et aku polarisatsiooni aste ja kiirus on erinevate elektrolüüdilisandite puhul erinev.

Aku parasiitreaktsiooni tõenäosuse analüüsimiseks kasutati isotermilist mikrokalorimeetriat. Sellised parameetrid nagu polarisatsioon, entroopia ja parasiitsoojuse voog ekstraheeriti, et luua funktsionaalne seos rSOC-ga, nagu on näidatud alloleval joonisel:

Pilt

Üle 4.2 V suureneb parasiitsoojuse vool järsult, kuna kõrge deliitiumisisaldusega anoodi pind reageerib kergesti kõrgepinge elektrolüüdiga. See seletab ka seda, miks mida kõrgem on laadimis- ja tühjenduspinge, seda kiiremini väheneb aku hooldusmäär.

Pilt

III. NCM811 turvalisus on halb

Ümbritseva õhu temperatuuri tõstmise tingimustes on NCM811 reaktsiooniaktiivsus elektrolüüdiga laadimisolekus palju suurem kui NCM111 oma. Seetõttu on NCM811 aku tootmisel raske läbida riiklikku kohustuslikku sertifikaati.

Pilt

Joonisel on graafik NCM811 ja NCM111 isekuumenemise kiiruste kohta vahemikus 70 ℃ kuni 350 ℃. Joonis näitab, et NCM811 hakkab soojenema umbes 105 ℃ juures, samas kui NCM111 ei soojene enne 200 ℃. NCM811 kuumutuskiirus alates 1 ℃ on 200 ℃/min, samas kui NCM111 kuumutuskiirus on 0.05 ℃/min, mis tähendab, et NCM811/ grafiitsüsteemile on raske kohustuslikku ohutussertifikaati saada.

Suure niklisisaldusega elusaine on tulevikus kindlasti suure energiatihedusega aku peamine materjal. Kuidas lahendada NCM811 aku tööea kiire vähenemise probleem? Esiteks muudeti NCM811 osakeste pinda selle jõudluse parandamiseks. Teine on elektrolüütide kasutamine, mis võib vähendada nende kahe parasiitreaktsiooni, et parandada selle tsükli eluiga ja ohutust. Pilt

QR-koodi tuvastamiseks vajutage pikalt, lisage liitium π!

Tere tulemast jagama!