Nikel-kobalt-mangánový ternárny materiál je jedným z hlavných materiálov súčasnej napájacej batérie. Tieto tri prvky majú rôzne významy pre materiál katódy, medzi ktorými je prvok niklu na zlepšenie kapacity batérie. Čím vyšší je obsah niklu, tým vyššia je špecifická kapacita materiálu. NCM811 má špecifickú kapacitu 200mAh/g a vybíjaciu platformu približne 3.8V, z ktorej je možné vyrobiť batériu s vysokou hustotou energie. Problémom batérie NCM811 je však slabá bezpečnosť a rýchle znižovanie životnosti. Aké sú dôvody ovplyvňujúce jeho životnosť a bezpečnosť? Ako tento problém vyriešiť? Nasleduje hĺbková analýza:

NCM811 bol vyrobený ako gombíková batéria (NCM811/Li) a flexibilná batéria (NCM811/grafit), pričom sa testovala jej gramová kapacita a plná kapacita batérie. Batéria soft-pack bola rozdelená do štyroch skupín pre jednofaktorový experiment. Premennou parametra bolo medzné napätie, ktoré bolo 4.1 V, 4.2 V, 4.3 V a 4.4 V. Najprv sa batéria zacyklila dvakrát pri 0.05 °C a potom pri 0.2 °C pri 30 °C. Po 200 cykloch je krivka cyklu batérie mäkkého bloku znázornená na obrázku nižšie:

Z obrázku je vidieť, že pri vysokom vypínacom napätí je gramová kapacita živej hmoty a batérie vysoká, ale gramová kapacita batérie a materiálu sa tiež rýchlejšie rozpadajú. Naopak, pri nižšom vypínacom napätí (pod 4.2 V) kapacita batérie pomaly klesá a životnosť cyklu je dlhšia.

V tomto experimente bola parazitická reakcia študovaná izotermickou kalorimetriou a štruktúra a morfologická degradácia katódových materiálov počas procesu cyklovania bola študovaná pomocou XRD a SEM. Závery sú nasledovné:

Obrázok

Po prvé, štrukturálne zmeny nie sú hlavnou príčinou poklesu životnosti batérie

Výsledky XRD a SEM ukázali, že nebol zjavný rozdiel v morfológii častíc a atómovej štruktúre batérie s elektródou a medzným napätím 4.1 V, 4.2 V, 4.3 V a 4.4 V po 200 cykloch pri 0.2 c. Preto rýchla štrukturálna zmena živej hmoty počas nabíjania a vybíjania nie je hlavným dôvodom poklesu životnosti batérie. Namiesto toho sú parazitné reakcie na rozhraní medzi elektrolytom a vysoko reaktívnymi časticami živej hmoty v delítiovom stave hlavnou príčinou zníženej životnosti batérie pri 4.2 V vysokonapäťovom cykle.

(1) SEM

Obrázok

Obrázok

A1 a A2 sú obrázky SEM batérie bez obehu. B ~ E sú SEM snímky živého materiálu s pozitívnou elektródou po 200 cykloch pri teplote 0.5 °C a medznom napätí nabíjania 4.1 V/4.2 V/4.3 V/4.4 V. Ľavá strana je obrázok z elektrónového mikroskopu pri malom zväčšení a pravá strana je obrázok z elektrónového mikroskopu pri veľkom zväčšení. Ako je možné vidieť z vyššie uvedeného obrázku, medzi obehovou batériou a necirkulujúcou batériou nie je žiadny významný rozdiel v morfológii častíc a stupni rozbitia.

(2) XRD snímky

Ako je možné vidieť na obrázku vyššie, medzi piatimi vrcholmi nie je zjavný rozdiel v tvare a polohe.

(3) Zmena parametrov mriežky

Obrázok

Ako je možné vidieť z tabuľky, ide o nasledujúce body:

1. Mriežkové konštanty necyklovaných polárnych platní sú konzistentné s konštantami živého prášku NCM811. Keď je medzné napätie cyklu 4.1 V, mriežková konštanta sa výrazne nelíši od predchádzajúcich dvoch a os C sa trochu zvýši. Mriežkové konštanty osi C s 4.2 V, 4.3 V a 4.4 V sa výrazne nelíšia od konštanty 4.1 V (0.004 angms), zatiaľ čo údaje na osi A sú celkom odlišné.

2. V piatich skupinách nenastala žiadna významná zmena v obsahu Ni.

3. Polárne platne s cirkulačným napätím 4.1 V pri 44.5° vykazujú veľkú FWHM, zatiaľ čo ostatné kontrolné skupiny vykazujú podobné FWHM.

V procese nabíjania a vybíjania batérie má os C veľké zmršťovanie a rozťahovanie. Zníženie životnosti batérie pri vysokých napätiach nie je spôsobené zmenami v štruktúre živej hmoty. Vyššie uvedené tri body preto potvrdzujú, že štrukturálne zmeny nie sú hlavným dôvodom poklesu životnosti batérie.

Obrázok

Po druhé, životnosť batérie NCM811 súvisí s parazitnou reakciou batérie

NCM811 a grafit sa vyrábajú do flexibilných článkov s použitím rôznych elektrolytov. Na rozdiel od toho boli do elektrolytu týchto dvoch skupín pridané 2% VC a PES211 a miera udržiavania kapacity týchto dvoch skupín vykazovala po cykle batérie veľký rozdiel.

Obrázok

Podľa vyššie uvedeného obrázku, keď je vypínacie napätie batérie s 2 % VC 4.1 V, 4.2 V, 4.3 V a 4.4 V, miera zachovania kapacity batérie po 70 cykloch je 98 %, 98 %, 91 % a 88 %. Už po 40 cykloch sa miera udržiavania kapacity batérie s pridaným PES211 znížila na 91 %, 82 %, 82 %, 74 %. Dôležité je, že v predchádzajúcich experimentoch bola životnosť batérie grafitových systémov NCM424/ grafit a NCM111/ s PES211 lepšia ako s 2% VC. To vedie k predpokladu, že prísady do elektrolytov majú významný vplyv na životnosť batérie v systémoch s vysokým obsahom niklu.

Z vyššie uvedených údajov je tiež zrejmé, že životnosť cyklu pri vysokom napätí je oveľa horšia ako pri nízkom napätí. Pomocou prispôsobenej funkcie polarizácie, △V a časov cyklu možno získať nasledujúci údaj:

Obrázok

Je vidieť, že △V batérie je pri cyklovaní pri nízkom vypínacom napätí malé, ale keď napätie stúpne nad 4.3V, △V sa prudko zvýši a polarizácia batérie sa zvýši, čo výrazne ovplyvňuje životnosť batérie. Z obrázku je tiež vidieť, že miera zmeny △V VC a PES211 je odlišná, čo ďalej potvrdzuje, že stupeň a rýchlosť polarizácie batérie sú rôzne s rôznymi prísadami do elektrolytu.

Na analýzu pravdepodobnosti parazitickej reakcie batérie bola použitá izotermická mikrokalorimetria. Parametre ako polarizácia, entropia a parazitný tepelný tok boli extrahované, aby sa vytvoril funkčný vzťah s rSOC, ako je znázornené na obrázku nižšie:

Obrázok

Nad 4.2 V sa ukazuje, že parazitný tepelný tok sa náhle zvýši, pretože povrch vysoko delítiovej anódy ľahko reaguje s elektrolytom pri vysokom napätí. To tiež vysvetľuje, prečo čím vyššie je nabíjacie a vybíjacie napätie, tým rýchlejšie klesá rýchlosť údržby batérie.

Obrázok

III. NCM811 má slabé zabezpečenie

Za podmienok zvýšenia teploty okolia je reakčná aktivita NCM811 v stave nabíjania elektrolytom oveľa väčšia ako aktivita NCM111. Preto je použitie batérie na výrobu NCM811 ťažké prejsť národnou povinnou certifikáciou.

Obrázok

Obrázok je grafom rýchlostí samoohrevu NCM811 a NCM111 medzi 70 ℃ a 350 ℃. Obrázok ukazuje, že NCM811 sa začína ohrievať pri teplote asi 105 ℃, zatiaľ čo NCM111 až 200 ℃. NCM811 má rýchlosť ohrevu 1℃/min od 200℃, zatiaľ čo NCM111 má rýchlosť ohrevu 0.05℃/min, čo znamená, že grafitový systém NCM811/grafit je ťažké získať povinné bezpečnostné osvedčenie.

Živá hmota s vysokým obsahom niklu bude v budúcnosti hlavným materiálom batérií s vysokou hustotou energie. Ako vyriešiť problém rýchleho rozpadu batérie NCM811? Po prvé, povrch častíc NCM811 bol upravený, aby sa zlepšil jeho výkon. Druhým je použitie elektrolytu, ktorý môže znížiť parazitickú reakciu oboch, aby sa zlepšila jeho životnosť a bezpečnosť. Obrázok

Dlhým stlačením identifikujte QR kód, pridajte lítium π!

Vitajte na zdieľanie!