Nickel-kobolt-mangan ternärt material är ett av huvudmaterialen i det nuvarande kraftbatteriet. De tre elementen har olika betydelser för katodmaterialet, bland vilka nickelelementet ska förbättra batteriets kapacitet. Ju högre nickelhalt, desto högre materialspecifik kapacitet. NCM811 har en specifik kapacitet på 200mAh/g och en urladdningsplattform på cirka 3.8V, som kan göras till ett batteri med hög energidensitet. Problemet med NCM811-batteriet är dock dålig säkerhet och snabb livslängd. Vilka är orsakerna som påverkar dess livslängd och säkerhet? Hur löser man detta problem? Följande är en djupgående analys:

NCM811 gjordes till knappbatteri (NCM811/Li) och flexibelt batteri (NCM811/grafit), och dess gramkapacitet och full batterikapacitet testades respektive. Mjukpaketsbatteriet delades in i fyra grupper för enfaktorexperiment. Parametervariabeln var brytspänning, som var 4.1V, 4.2V, 4.3V respektive 4.4V. Först cyklades batteriet två gånger vid 0.05 c och sedan vid 0.2 C vid 30 ℃. Efter 200 cykler visas mjukpaketets battericykelkurva i bilden nedan:

Det kan ses från figuren att under tillståndet med hög avstängningsspänning är gramkapaciteten för levande materia och batteri båda hög, men gramkapaciteten för batteri och material avtar också snabbare. Tvärtom, vid lägre avstängningsspänningar (under 4.2V), försämras batterikapaciteten långsamt och livslängden blir längre.

I detta experiment studerades parasitreaktionen med isotermisk kalorimetri och strukturen och morfologinedbrytningen av katodmaterial under cyklingsprocessen studerades med XRD och SEM. Slutsatserna är följande:

Bilden

För det första är inte strukturella förändringar den främsta orsaken till att batteriets livslängd minskar

Resultaten av XRD och SEM visade att det inte fanns någon uppenbar skillnad i partikelmorfologi och atomstruktur hos batteriet med elektrod- och avstängningsspänning på 4.1V, 4.2V, 4.3V och 4.4V efter 200 cykler vid 0.2c. Därför är den snabba strukturella förändringen av levande materia under laddning och urladdning inte huvudorsaken till att batteriets livslängd minskar. Istället är parasitreaktioner vid gränssnittet mellan elektrolyten och de mycket reaktiva partiklarna av levande material i deliumtillståndet den främsta orsaken till minskad batterilivslängd vid 4.2V högspänningscykeln.

(1) SEM

Bilden

Bilden

A1 och A2 är SEM-bilder av batteriet utan cirkulation. B ~ E är SEM-bilder av levande material med positiva elektroder efter 200 cykler under 0.5C-tillstånd och laddningsgränsspänning på 4.1V/4.2V/4.3V/4.4V, respektive. Den vänstra sidan är en elektronmikroskopbild under låg förstoring och den högra sidan är en elektronmikroskopbild under hög förstoring. Som framgår av figuren ovan finns det ingen signifikant skillnad i partikelmorfologi och brottgrad mellan det cirkulerande batteriet och det icke-cirkulerande batteriet.

(2) XRD-bilder

Som framgår av figuren ovan är det ingen uppenbar skillnad mellan de fem topparna i form och läge.

(3) Ändring av gitterparametrar

Bilden

Som framgår av tabellen är följande punkter:

1. Gitterkonstanterna för ocykliska polära plattor överensstämmer med de för NCM811 levande pulver. När cykelns avstängningsspänning är 4.1V, skiljer sig gitterkonstanten inte signifikant från de två föregående, och C-axeln ökar lite. Gitterkonstanterna för C-axeln med 4.2V, 4.3V och 4.4V skiljer sig inte signifikant från de för 4.1V (0.004 angms), medan data på A-axeln är helt olika.

2. Det fanns ingen signifikant förändring i Ni-innehållet i de fem grupperna.

3. Polära plattor med en cirkulationsspänning på 4.1V vid 44.5° uppvisar stor FWHM, medan de andra kontrollgrupperna uppvisar liknande FWHM.

I laddnings- och urladdningsprocessen av batteriet har C-axeln en stor krympning och expansion. Minskningen av batteriets livslängd vid höga spänningar beror inte på förändringar i strukturen av levande materia. Därför bekräftar ovanstående tre punkter att strukturella förändringar inte är huvudorsaken till att batteriets livslängd minskar.

Bilden

För det andra är cykellivslängden för NCM811-batteriet relaterad till den parasitära reaktionen i batteriet

NCM811 och grafit görs till flexibla packceller med hjälp av olika elektrolyter. Däremot tillsattes 2 % VC och PES211 till elektrolyten i de två respektive grupperna, och kapacitetsupprätthållandet av de två grupperna visade en stor skillnad efter battericykeln.

Bilden

Enligt figuren ovan, när avstängningsspänningen för batteriet med 2%VC är 4.1V, 4.2V, 4.3V och 4.4V, är batteriets kapacitetsunderhållshastighet efter 70 cykler 98%, 98%, 91 % respektive 88 %. Efter bara 40 cykler minskade kapacitetsunderhållsgraden för batteriet med tillsats av PES211 till 91 %, 82 %, 82 %, 74 %. Viktigt, i tidigare experiment var battericykelns livslängd för NCM424/grafit- och NCM111/grafitsystem med PES211 bättre än den med 2%VC. Detta leder till antagandet att elektrolyttillsatser har en betydande inverkan på batterilivslängden i system med hög nickelhalt.

Det kan också ses från ovanstående data att cykellivslängden under högspänning är mycket sämre än under lågspänning. Genom anpassningsfunktionen polarisation, △V och cykeltider kan följande figur erhållas:

Bilden

Man kan se att batteriet △V är litet när man cyklar med låg avstängningsspänning, men när spänningen stiger över 4.3V ökar △V kraftigt och batteripolarisationen ökar, vilket i hög grad påverkar batteriets livslängd. Det kan också ses från figuren att △V ändringshastigheten för VC och PES211 är olika, vilket ytterligare verifierar att graden och hastigheten på batteripolarisationen är olika med olika elektrolytadditiv.

Isotermisk mikrokalorimetri användes för att analysera sannolikheten för parasitisk reaktion hos batteriet. Parametrar som polarisation, entropi och parasitiskt värmeflöde extraherades för att skapa ett funktionellt samband med rSOC, som visas i figuren nedan:

Bilden

Över 4.2V visar sig det parasitära värmeflödet öka plötsligt, eftersom anodytan med hög delithium reagerar lätt med elektrolyten vid hög spänning. Detta förklarar också varför ju högre laddnings- och urladdningsspänning, desto snabbare minskar batteriets underhållshastighet.

Bilden

Iii. NCM811 har dålig säkerhet

Under förutsättning att den omgivande temperaturen ökar är reaktionsaktiviteten för NCM811 i laddningstillstånd med elektrolyt mycket större än för NCM111. Därför är användningen av NCM811 produktion av batteri svårt att klara den nationella obligatoriska certifieringen.

Bilden

Figuren är en graf över självuppvärmningshastigheterna för NCM811 och NCM111 mellan 70 ℃ och 350 ℃. Figuren visar att NCM811 börjar värmas upp vid cirka 105 ℃, medan NCM111 inte gör det förrän 200 ℃. NCM811 har en uppvärmningshastighet på 1 ℃/min från 200 ℃, medan NCM111 har en uppvärmningshastighet på 0.05 ℃/min, vilket gör att NCM811/grafitsystemet är svårt att få obligatorisk säkerhetscertifiering.

Levande materia med hög nickelhalt kommer definitivt att vara huvudmaterialet i batterier med hög energidensitet i framtiden. Hur löser man problemet med snabb sönderfall av NCM811-batteriets livslängd? Först modifierades partikelytan på NCM811 för att förbättra dess prestanda. Den andra är att använda elektrolyten som kan minska parasitreaktionen hos de två, för att förbättra dess livslängd och säkerhet. Bilden

Tryck länge för att identifiera QR-koden, lägg till litium π!

Välkommen att dela!