חומר ניקל-קובלט-מנגן הוא אחד החומרים העיקריים של סוללת החשמל הנוכחית. לשלושת היסודות יש משמעויות שונות לחומר הקתודה, ביניהם אלמנט הניקל הוא לשפר את קיבולת הסוללה. ככל שתכולת הניקל גבוהה יותר, כך הקיבולת הספציפית לחומר גבוהה יותר. ל-NCM811 קיבולת ספציפית של 200mAh/g ופלטפורמת פריקה של כ-3.8V, שניתן להפוך אותה לסוללה בצפיפות אנרגיה גבוהה. עם זאת, הבעיה של סוללת NCM811 היא בטיחות לקויה ודעיכה מהירה של חיי המחזור. מהן הסיבות המשפיעות על חיי המחזור והבטיחות שלו? איך פותרים את הבעיה הזו? להלן ניתוח מעמיק:

NCM811 יוצרה לסוללת כפתורים (NCM811/Li) ולסוללת חבילה גמישה (NCM811/גרפיט), וקיבולת הגרם וקיבולת הסוללה המלאה שלה נבדקו בהתאמה. הסוללה הרכה חולקה לארבע קבוצות לניסוי גורם יחיד. משתנה הפרמטר היה מתח ניתוק, שהיה 4.1V, 4.2V, 4.3V ו-4.4V, בהתאמה. ראשית, הסוללה עברה פעמיים ב-0.05c ולאחר מכן ב-0.2C ב-30℃. לאחר 200 מחזורים, עקומת מחזור הסוללה של החבילה הרכה מוצגת באיור שלהלן:

ניתן לראות מהאיור שבתנאי של מתח ניתוק גבוה, קיבולת הגרם של החומר החי והסוללה הן גבוהות, אך גם קיבולת הגרם של הסוללה והחומר מתפוררת מהר יותר. להיפך, במתחי ניתוק נמוכים יותר (מתחת ל-4.2V), קיבולת הסוללה יורדת לאט וחיי המחזור ארוכים יותר.

בניסוי זה, התגובה הטפילית נחקרה על ידי קלורימטריה איזותרמית והמבנה והמורפולוגיה של חומרי הקתודה במהלך תהליך הרכיבה על אופניים נחקרו על ידי XRD ו-SEM. המסקנות הן כדלקמן:

התמונה

ראשית, שינוי מבני אינו הגורם העיקרי לירידה במחזור חיי הסוללה

התוצאות של XRD ו-SEM הראו שלא היה הבדל ברור במורפולוגיה של החלקיקים ובמבנה האטומי של הסוללה עם אלקטרודה ומתח ניתוק של 4.1V, 4.2V, 4.3V ו-4.4V לאחר 200 מחזורים ב-0.2c. לכן, השינוי המבני המהיר של חומר חי במהלך טעינה ופריקה אינו הסיבה העיקרית לירידה בחיי מחזור הסוללה. במקום זאת, תגובות טפיליות בממשק בין האלקטרוליט לחלקיקים תגובתיים מאוד של חומר חי במצב דליתיום הן הגורם העיקרי להפחתת חיי הסוללה במחזור המתח הגבוה של 4.2V.

(1) ה-SEM

התמונה

התמונה

A1 ו-A2 הן תמונות SEM של הסוללה ללא מחזור. B ~ E הן תמונות SEM של חומר חי אלקטרודה חיובית לאחר מחזור 200 בתנאי 0.5C ומתח ניתוק טעינה של 4.1V/4.2V/4.3V/4.4V, בהתאמה. הצד השמאלי הוא תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים בהגדלה נמוכה והצד הימני הוא תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים בהגדלה גבוהה. כפי שניתן לראות מהאיור לעיל, אין הבדל משמעותי במורפולוגיה של החלקיקים ובדרגת השבירה בין הסוללה המסתובבת לסוללה שאינה במחזור.

(2) תמונות XRD

כפי שניתן לראות מהאיור לעיל, אין הבדל ברור בין חמש הפסגות בצורה ובמיקום.

(3) שינוי פרמטרי סריג

התמונה

כפי שניתן לראות מהטבלה, הנקודות הבאות:

1. קבועי הסריג של לוחות קוטביים לא מחזוריים תואמים לאלו של אבקה חיה NCM811. כאשר מתח הניתוק המחזורי הוא 4.1V, קבוע הסריג אינו שונה משמעותית מהשניים הקודמים, וציר ה-C גדל מעט. קבועי הסריג של ציר C עם 4.2V, 4.3V ו-4.4V אינם שונים באופן משמעותי מאלה של 4.1V (0.004 אנגם), בעוד שהנתונים על ציר A שונים למדי.

2. There was no significant change in Ni content in the five groups.

3. לוחות פולאריים עם מתח מחזור של 4.1V ב-44.5° מציגים FWHM גדול, בעוד ששאר קבוצות הביקורת מציגות FWHM דומה.

בתהליך הטעינה והפריקה של הסוללה יש לציר C התכווצות והתרחבות גדולה. הפחתת חיי מחזור הסוללה במתחים גבוהים אינה נובעת משינויים במבנה החומר החי. לכן, שלוש הנקודות לעיל מאמתות ששינוי מבני אינו הסיבה העיקרית לירידה בחיי מחזור הסוללה.

התמונה

שנית, חיי המחזור של סוללת NCM811 קשורים לתגובה הטפילית בסוללה

NCM811 וגרפיט מיוצרים לתאי אריזה גמישים באמצעות אלקטרוליטים שונים. לעומת זאת, 2%VC ו-PES211 נוספו לאלקטרוליט של שתי הקבוצות, בהתאמה, וקצב אחזקת הקיבולת של שתי הקבוצות הראה הבדל גדול לאחר מחזור הסוללה.

התמונה

לפי האיור לעיל, כאשר מתח הניתוק של הסוללה עם 2%VC הוא 4.1V, 4.2V, 4.3V ו-4.4V, קצב אחזקת הקיבולת של הסוללה לאחר 70 מחזורים הוא 98%, 98%, 91 % ו-88%, בהתאמה. לאחר 40 מחזורים בלבד, קצב אחזקת הקיבולת של הסוללה בתוספת PES211 ירד ל-91%, 82%, 82%, 74%. חשוב לציין, בניסויים קודמים, חיי מחזור הסוללה של מערכות NCM424/גרפיט ו-NCM111/גרפיט עם PES211 היו טובים יותר מזה של 2%VC. זה מוביל להנחה שלתוספי אלקטרוליטים יש השפעה משמעותית על חיי הסוללה במערכות ניקל גבוה.

ניתן גם לראות מהנתונים שלעיל כי חיי המחזור במתח גבוה גרועים בהרבה מאלו במתח נמוך. באמצעות פונקציית ההתאמה של קיטוב, △V וזמני מחזור, ניתן לקבל את הנתון הבא:

התמונה

ניתן לראות כי הסוללה △V קטנה ברכיבה במתח ניתוק נמוך, אך כאשר המתח עולה מעל 4.3V, △V עולה בחדות והקיטוב של הסוללה עולה, מה שמשפיע מאוד על חיי הסוללה. ניתן גם לראות מהאיור שקצב השינוי △V של VC ו-PES211 שונה, מה שמוודא עוד יותר שמידת ומהירות קיטוב הסוללה שונים עם תוספי אלקטרוליטים שונים.

Isothermal microcalorimetry was used to analyze the parasitic reaction probability of the battery. Parameters such as polarization, entropy and parasitic heat flow were extracted to make a functional relationship with rSOC, as shown in the figure below:

התמונה

Above 4.2V, the parasitic heat flow is shown to increase suddenly, because the highly delithium anode surface reacts easily with the electrolyte at high voltage. This also explains why the higher the charge and discharge voltage, the faster the battery maintenance rate decreases.

התמונה

Iii. NCM811 has poor security

בתנאי של הגדלת טמפרטורת הסביבה, פעילות התגובה של NCM811 במצב טעינה עם אלקטרוליט גדולה בהרבה מזו של NCM111. לכן, השימוש בייצור NCM811 של סוללה קשה לעבור את הסמכת החובה הלאומית.

התמונה

האיור הוא גרף של קצבי החימום העצמי של NCM811 ו-NCM111 בין 70℃ ל-350℃. האיור מראה ש-NCM811 מתחיל להתחמם בערך ב-105℃, בעוד NCM111 מתחיל להתחמם ב-200℃. ל-NCM811 יש קצב חימום של 1℃/דקה מ-200℃, בעוד של-NCM111 קצב חימום של 0.05℃/דקה, מה שאומר שקשה להשיג אישור בטיחות חובה למערכת NCM811/גרפיט.

חומר חי גבוה ניקל חייב להיות החומר העיקרי של סוללה בצפיפות אנרגיה גבוהה בעתיד. כיצד לפתור את הבעיה של דעיכה מהירה של חיי סוללה NCM811? ראשית, משטח החלקיקים של NCM811 שונה כדי לשפר את הביצועים שלו. השני הוא להשתמש באלקטרוליט שיכול להפחית את התגובה הטפילית של השניים, כדי לשפר את חיי המחזור והבטיחות שלו. התמונה

לחץ לחיצה ארוכה כדי לזהות את קוד ה-QR, הוסף ליתיום π!

מוזמנים לשתף!