วัสดุที่ประกอบไปด้วยนิกเกิล-โคบอลต์-แมงกานีสเป็นหนึ่งในวัสดุหลักของแบตเตอรี่พลังงานในปัจจุบัน องค์ประกอบทั้งสามมีความหมายที่แตกต่างกันสำหรับวัสดุแคโทด ซึ่งองค์ประกอบนิกเกิลคือการปรับปรุงความจุของแบตเตอรี่ ยิ่งปริมาณนิกเกิลสูงเท่าใด ความจุจำเพาะของวัสดุก็จะยิ่งสูงขึ้น NCM811 มีความจุเฉพาะที่ 200mAh/g และแพลตฟอร์มการคายประจุประมาณ 3.8V ซึ่งสามารถทำเป็นแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงได้ อย่างไรก็ตาม ปัญหาของแบตเตอรี่ NCM811 คือความปลอดภัยต่ำและวงจรชีวิตเสื่อมเร็ว อะไรคือสาเหตุที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานและความปลอดภัย? จะแก้ปัญหานี้อย่างไร? ต่อไปนี้เป็นการวิเคราะห์เชิงลึก:

NCM811 ถูกผลิตขึ้นเป็นแบตเตอรี่แบบกระดุม (NCM811/Li) และแบตเตอรี่แบบยืดหยุ่น (NCM811/ กราไฟต์) และทดสอบความจุกรัมและความจุของแบตเตอรี่เต็มตามลำดับ แบตเตอรี่แบบซอฟต์แพ็คแบ่งออกเป็นสี่กลุ่มสำหรับการทดสอบปัจจัยเดียว ตัวแปรพารามิเตอร์คือแรงดันตัด คือ 4.1V, 4.2V, 4.3V และ 4.4V ตามลำดับ ขั้นแรก ให้ปั่นจักรยานสองครั้งที่ 0.05c และต่อด้วยอุณหภูมิ 0.2C ที่ 30℃ หลังจาก 200 รอบแล้ว เส้นรอบวงของแบตเตอรี่แบบซอฟต์แพ็กจะแสดงในรูปด้านล่าง:

ดังจะเห็นได้จากรูปที่ภายใต้สภาวะของแรงดันไฟตัดสูง ความจุกรัมของสิ่งมีชีวิตและแบตเตอรี่นั้นสูงทั้งคู่ แต่ความจุกรัมของแบตเตอรี่และวัสดุก็สลายตัวเร็วขึ้นเช่นกัน ในทางตรงกันข้าม ที่แรงดันไฟตัดที่ต่ำกว่า (ต่ำกว่า 4.2V) ความจุของแบตเตอรี่จะลดลงอย่างช้าๆ และอายุการใช้งานของวงจรจะยาวนานขึ้น

ในการทดลองนี้ ได้ทำการศึกษาปฏิกิริยาปรสิตโดยการวัดความร้อนด้วยความร้อน และศึกษาโครงสร้างและการสลายตัวทางสัณฐานวิทยาของวัสดุแคโทดในระหว่างกระบวนการปั่นจักรยานด้วย XRD และ SEM ข้อสรุปมีดังนี้:

ภาพ

ประการแรก การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างไม่ใช่สาเหตุหลักของอายุแบตเตอรี่ลดลง

ผลลัพธ์ของ XRD และ SEM พบว่าไม่มีความแตกต่างที่ชัดเจนในสัณฐานวิทยาของอนุภาคและโครงสร้างอะตอมของแบตเตอรี่ที่มีอิเล็กโทรดและแรงดันตัดที่ 4.1V, 4.2V, 4.3V และ 4.4V หลังจาก 200 รอบที่ 0.2c ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอย่างรวดเร็วของสิ่งมีชีวิตในระหว่างการชาร์จและการคายประจุจึงไม่ใช่สาเหตุหลักที่ทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ลดลง ในทางกลับกัน ปฏิกิริยาปรสิตที่ส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรไลต์กับอนุภาคที่มีปฏิกิริยาสูงของสสารมีชีวิตในสถานะเดลิเธียมเป็นสาเหตุหลักของอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ลดลงที่วงจรไฟฟ้าแรงสูง 4.2V

(1) SEM

ภาพ

ภาพ

A1 และ A2 เป็นภาพ SEM ของแบตเตอรี่ที่ไม่มีการหมุนเวียน B ~ E คือภาพ SEM ของวัสดุที่มีชีวิตขั้วบวกหลังจาก 200 รอบภายใต้สภาวะ 0.5C และแรงดันไฟตัดการชาร์จ 4.1V/4.2V/4.3V/4.4V ตามลำดับ ด้านซ้ายเป็นภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังขยายต่ำ และด้านขวาเป็นภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดกำลังขยายสูง ดังที่เห็นได้จากรูปด้านบน ไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญทางสัณฐานวิทยาของอนุภาคและระดับการแตกระหว่างแบตเตอรี่หมุนเวียนและแบตเตอรี่ที่ไม่หมุนเวียน

(2) ภาพ XRD

ดังที่เห็นได้จากรูปด้านบน ไม่มีความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่างยอดทั้งห้าในด้านรูปร่างและตำแหน่ง

(3) การเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ตาข่าย

ภาพ

ดังจะเห็นได้จากตารางประเด็นต่อไปนี้

1. ค่าคงที่แลตทิซของเพลตโพลาร์ที่ไม่มีการหมุนเวียนนั้นสอดคล้องกับค่าคงที่ของเพลตที่มีชีวิต NCM811 เมื่อแรงดันตัดวงจรเท่ากับ 4.1V ค่าคงที่ขัดแตะไม่แตกต่างจากสองค่าก่อนหน้าอย่างมีนัยสำคัญ และแกน C จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ค่าคงที่แลตทิซของแกน C ที่มี 4.2V, 4.3V และ 4.4V นั้นไม่แตกต่างจากค่าคงที่ของ 4.1V (0.004 angms) ในขณะที่ข้อมูลบนแกน A ค่อนข้างแตกต่างกัน

2. ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเนื้อหา Ni ในห้ากลุ่มอย่างมีนัยสำคัญ

3. โพลาร์เพลตที่มีแรงดันหมุนเวียน 4.1V ที่ 44.5° แสดง FWHM ขนาดใหญ่ ในขณะที่กลุ่มควบคุมอื่นๆ แสดง FWHM ที่คล้ายคลึงกัน

ในกระบวนการชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่ แกน C มีการหดตัวและขยายตัวมาก อายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ลดลงด้วยไฟฟ้าแรงสูงไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างสิ่งมีชีวิต ดังนั้น สามประเด็นข้างต้นยืนยันว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างไม่ใช่สาเหตุหลักที่ทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ลดลง

ภาพ

ประการที่สอง อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ NCM811 สัมพันธ์กับปฏิกิริยาปรสิตในแบตเตอรี่

NCM811 และกราไฟต์ถูกสร้างเป็นเซลล์บรรจุภัณฑ์แบบยืดหยุ่นโดยใช้อิเล็กโทรไลต์ที่แตกต่างกัน ในทางตรงกันข้าม มีการเติม 2% VC และ PES211 ลงในอิเล็กโทรไลต์ของทั้งสองกลุ่มตามลำดับ และอัตราการบำรุงรักษาความจุของทั้งสองกลุ่มแสดงความแตกต่างอย่างมากหลังจากรอบแบตเตอรี่

ภาพ

ตามรูปด้านบน เมื่อแรงดันตัดของแบตเตอรี่ 2%VC คือ 4.1V, 4.2V, 4.3V และ 4.4V อัตราการบำรุงรักษาแบตเตอรี่หลังจาก 70 รอบคือ 98%, 98%, 91 % และ 88% ตามลำดับ หลังจากผ่านไปเพียง 40 รอบ อัตราการบำรุงรักษาความจุของแบตเตอรี่ด้วย PES211 ที่เพิ่มเข้ามาก็ลดลงเป็น 91%, 82%, 82%, 74% ที่สำคัญในการทดลองครั้งก่อนๆ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ของระบบ NCM424/ กราไฟท์ และ NCM111/ ระบบกราไฟท์ ที่ใช้ PES211 นั้นดีกว่าเมื่อใช้ VC 2% สิ่งนี้นำไปสู่ข้อสันนิษฐานว่าสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์มีผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่ในระบบที่มีนิกเกิลสูง

จากข้อมูลข้างต้นจะเห็นได้ว่าอายุการใช้งานของวงจรภายใต้แรงดันสูงนั้นแย่กว่าในวงจรไฟฟ้าแรงต่ำมาก ผ่านฟังก์ชันการปรับพอดีของโพลาไรซ์ △V และรอบเวลา ได้ค่าต่อไปนี้:

ภาพ

จะเห็นได้ว่าแบตเตอรี่ △V มีขนาดเล็กเมื่อขี่จักรยานด้วยแรงดันไฟตัดต่ำ แต่เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 4.3V △V จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและโพลาไรซ์ของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ยังสามารถเห็นได้จากรูปที่อัตราการเปลี่ยนแปลง △V ของ VC และ PES211 ต่างกัน ซึ่งช่วยยืนยันเพิ่มเติมว่าระดับและความเร็วของโพลาไรเซชันของแบตเตอรี่แตกต่างกันด้วยสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่แตกต่างกัน

ไมโครแคลอรีมิเตอร์แบบไอโซเทอร์มอลใช้ในการวิเคราะห์ความน่าจะเป็นของปฏิกิริยาปรสิตของแบตเตอรี่ พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น โพลาไรซ์ เอนโทรปี และการไหลของความร้อนจากกาฝาก ถูกดึงออกมาเพื่อสร้างความสัมพันธ์เชิงฟังก์ชันกับ rSOC ดังแสดงในรูปด้านล่าง:

ภาพ

ที่สูงกว่า 4.2V กระแสความร้อนจากกาฝากจะเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน เนื่องจากพื้นผิวแอโนดเดลิเธียมสูงจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ที่ไฟฟ้าแรงสูงได้ง่าย สิ่งนี้ยังอธิบายได้ว่าทำไมยิ่งแรงดันการชาร์จและการคายประจุยิ่งสูง อัตราการบำรุงรักษาแบตเตอรี่ก็จะยิ่งลดลงเร็วขึ้น

ภาพ

สาม. NCM811 มีความปลอดภัยต่ำ

ภายใต้สภาวะของการเพิ่มอุณหภูมิแวดล้อม กิจกรรมปฏิกิริยาของ NCM811 ในสถานะการชาร์จด้วยอิเล็กโทรไลต์จะมากกว่า NCM111 มาก ดังนั้นการใช้แบตเตอรี่ในการผลิต NCM811 จึงยากที่จะผ่านการรับรองภาคบังคับระดับประเทศ

ภาพ

ตัวเลขนี้เป็นกราฟแสดงอัตราการให้ความร้อนในตัวเองของ NCM811 และ NCM111 ระหว่าง 70 ℃ ถึง 350 ℃ รูปแสดงให้เห็นว่า NCM811 เริ่มร้อนขึ้นที่ประมาณ 105 ℃ ในขณะที่ NCM111 ไม่เกิน 200 ℃ NCM811 มีอัตราการให้ความร้อน 1℃/นาที จาก 200℃ ในขณะที่ NCM111 มีอัตราการให้ความร้อนที่ 0.05℃/นาที ซึ่งหมายความว่าระบบกราไฟท์ NCM811/ นั้นยากต่อการรับรองความปลอดภัยภาคบังคับ

สิ่งมีชีวิตที่มีนิกเกิลสูงจะเป็นวัสดุหลักของแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงในอนาคต วิธีแก้ปัญหาแบตเตอรี่ NCM811 เสื่อมเร็ว? ประการแรก พื้นผิวอนุภาคของ NCM811 ได้รับการแก้ไขเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ ประการที่สองคือการใช้อิเล็กโทรไลต์ซึ่งสามารถลดปฏิกิริยากาฝากของทั้งสอง เพื่อปรับปรุงอายุการใช้งานและความปลอดภัย ภาพ

กดค้างเพื่อระบุรหัส QR เพิ่มลิเธียม π!

ยินดีต้อนรับสู่การแบ่งปัน!