Nikel-kobalt-manganez üçlü malzeme, mevcut güç pilinin ana malzemelerinden biridir. Üç element, katot malzemesi için farklı anlamlara sahiptir ve aralarında nikel elementi pilin kapasitesini geliştirmek içindir. Nikel içeriği ne kadar yüksek olursa, malzeme özgül kapasitesi de o kadar yüksek olur. NCM811, 200 mAh/g’lik bir spesifik kapasiteye ve yüksek enerji yoğunluklu bir bataryaya dönüştürülebilen yaklaşık 3.8 V’luk bir deşarj platformuna sahiptir. Bununla birlikte, NCM811 pilinin sorunu, zayıf güvenlik ve hızlı çevrim ömrü azalmasıdır. Çevrim ömrünü ve güvenliğini etkileyen sebepler nelerdir? Bu sorun nasıl çözülür? Aşağıdaki derinlemesine bir analizdir:

NCM811, düğme pil (NCM811/Li) ve esnek paket pil (NCM811/grafit) haline getirildi ve sırasıyla gram kapasitesi ve tam pil kapasitesi test edildi. Yumuşak paket pil, tek faktörlü deney için dört gruba ayrıldı. Parametre değişkeni, sırasıyla 4.1V, 4.2V, 4.3V ve 4.4V olan kesme voltajıydı. İlk olarak, pil iki kez 0.05c’de ve ardından 0.2℃’de 30C’de çevrildi. 200 döngüden sonra, yazılım paketi pil döngüsü eğrisi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir:

Şekilden görülebileceği gibi, yüksek kesme voltajı koşulu altında, canlı maddenin ve pilin gram kapasitesi hem yüksektir, ancak pil ve malzemenin gram kapasitesi de daha hızlı bozulur. Aksine, daha düşük kesme voltajlarında (4.2V’nin altında) pil kapasitesi yavaş yavaş düşer ve çevrim ömrü daha uzundur.

Bu deneyde, parazitik reaksiyon izotermal kalorimetri ile incelendi ve çevrim işlemi sırasında katot malzemelerinin yapısı ve morfolojik bozunması XRD ve SEM ile incelendi. Sonuçlar aşağıdaki gibidir:

Fotoğraf

İlk olarak, yapısal değişiklik pil ömrü azalmasının ana nedeni değildir.

XRD ve SEM sonuçları, 4.1c’de 4.2 döngüden sonra elektrot ve kesme voltajı 4.3V, 4.4V, 200V ve 0.2V olan pilin partikül morfolojisi ve atomik yapısında belirgin bir fark olmadığını gösterdi. Bu nedenle, şarj ve deşarj sırasında canlı maddenin hızlı yapısal değişimi, pil çevrim ömrünün azalmasının ana nedeni değildir. Bunun yerine, elektrolit ile delithium durumundaki yüksek oranda reaktif canlı madde parçacıkları arasındaki arayüzde parazitik reaksiyonlar, 4.2V yüksek voltaj döngüsünde pil ömrünün azalmasının ana nedenidir.

(1) SEM

Fotoğraf

Fotoğraf

A1 ve A2, pilin sirkülasyonsuz SEM görüntüleridir. B ~ E, sırasıyla 200C koşulunda 0.5 döngü ve 4.1V/4.2V/4.3V/4.4V şarj kesme voltajından sonra pozitif elektrotlu canlı materyalin SEM görüntüleridir. Sol taraf düşük büyütmeli elektron mikroskobu görüntüsü ve sağ taraf yüksek büyütmeli elektron mikroskobu görüntüsüdür. Yukarıdaki şekilden de görülebileceği gibi, sirkülasyonlu pil ile sirkülasyonsuz pil arasında partikül morfolojisi ve kırılma derecesi açısından önemli bir fark yoktur.

(2) XRD görüntüleri

Yukarıdaki şekilden de görülebileceği gibi, şekil ve konum bakımından beş tepe arasında bariz bir fark yoktur.

(3) Kafes parametrelerinin değiştirilmesi

Fotoğraf

Tablodan da anlaşılacağı gibi, aşağıdaki noktalar:

1. Döngülenmemiş polar plakaların kafes sabitleri, NCM811 canlı tozunkilerle tutarlıdır. Çevrim kesme voltajı 4.1V olduğunda, kafes sabiti önceki ikisinden önemli ölçüde farklı değildir ve C ekseni biraz artar. 4.2V, 4.3V ve 4.4V ile C ekseninin kafes sabitleri 4.1V (0.004 angms) olanlardan önemli ölçüde farklı değildir, ancak A eksenindeki veriler oldukça farklıdır.

2. Beş grupta Ni içeriğinde önemli bir değişiklik olmadı.

3. 4.1°’de 44.5 V’luk bir dolaşım voltajına sahip polar plakalar büyük FWHM sergilerken, diğer kontrol grupları benzer FWHM sergiler.

Pilin şarj ve deşarj işleminde C ekseninde büyük bir küçülme ve genişleme vardır. Yüksek voltajlarda pil çevrim ömründeki azalma, canlı madde yapısındaki değişikliklerden kaynaklanmaz. Bu nedenle, yukarıdaki üç nokta, pil çevrim ömrünün azalmasının ana nedeninin yapısal değişikliğin olmadığını doğrulamaktadır.

Fotoğraf

İkincisi, NCM811 pilinin çevrim ömrü, pildeki parazitik reaksiyonla ilgilidir.

NCM811 ve grafit, farklı elektrolitler kullanılarak esnek paket hücrelere dönüştürülür. Buna karşılık, iki grubun elektrolitine sırasıyla %2 VC ve PES211 eklendi ve pil döngüsünden sonra iki grubun kapasite bakım oranı büyük bir fark gösterdi.

Fotoğraf

Yukarıdaki şekle göre %2VC ile pilin kesme gerilimi 4.1V, 4.2V, 4.3V ve 4.4V olduğunda, pilin 70 çevrim sonrası kapasite bakım oranı %98, %98, 91 sırasıyla % ve %88. Sadece 40 döngüden sonra PES211 eklenen pilin kapasite bakım oranı %91, %82, %82, %74’e düştü. Daha da önemlisi, önceki deneylerde, PES424’li NCM111/grafit ve NCM211/ grafit sistemlerinin pil çevrim ömrü, %2VC’ye göre daha iyiydi. Bu, elektrolit katkı maddelerinin yüksek nikelli sistemlerde pil ömrü üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu varsayımına yol açar.

Yukarıdaki verilerden, yüksek voltaj altındaki çevrim ömrünün, düşük voltajdakinden çok daha kötü olduğu da görülebilir. Polarizasyon, △V ve döngü sürelerinin uydurma işlevi sayesinde aşağıdaki şekil elde edilebilir:

Fotoğraf

Düşük kesme voltajında ​​​​dönerken pil △V’nin küçük olduğu, ancak voltaj 4.3V’nin üzerine çıktığında △V’nin keskin bir şekilde arttığı ve pil ömrünü büyük ölçüde etkileyen pil polarizasyonunun arttığı görülebilir. VC ve PES211’in △V değişim hızının farklı olduğu şekilden de görülebilir, bu da pil polarizasyonunun derecesinin ve hızının farklı elektrolit katkı maddeleri ile farklı olduğunu doğrular.

Pilin parazitik reaksiyon olasılığını analiz etmek için izotermal mikrokalorimetri kullanıldı. Polarizasyon, entropi ve parazitik ısı akışı gibi parametreler, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi rSOC ile fonksiyonel bir ilişki kurmak için çıkarıldı:

Fotoğraf

4.2V’nin üzerinde, parazitik ısı akışının aniden arttığı gösterilmiştir, çünkü yüksek derecede delithium anot yüzeyi elektrolit ile yüksek voltajda kolayca reaksiyona girer. Bu aynı zamanda şarj ve deşarj voltajı ne kadar yüksek olursa akü bakım hızının neden o kadar hızlı düştüğünü de açıklar.

Fotoğraf

III. NCM811’in güvenliği zayıf

Ortam sıcaklığının arttırılması koşulu altında, NCM811’in elektrolit ile şarj durumundaki reaksiyon aktivitesi, NCM111’inkinden çok daha büyüktür. Bu nedenle, NCM811 pil üretiminin kullanımı, ulusal zorunlu sertifikayı geçmek zordur.

Fotoğraf

Şekil, NCM811 ve NCM111’in 70°C ile 350°C arasında kendi kendine ısınma oranlarının bir grafiğidir. Şekil, NCM811’in yaklaşık 105℃’de ısınmaya başladığını, NCM111’in ise 200℃’ye kadar ısınmadığını göstermektedir. NCM811, 1°C’den 200°C/dk’lık bir ısıtma hızına sahipken, NCM111’in 0.05°C/dk’lık bir ısıtma hızı vardır, bu da NCM811/grafit sisteminin zorunlu güvenlik sertifikası almasının zor olduğu anlamına gelir.

Yüksek nikelli canlı madde, gelecekte yüksek enerji yoğunluklu pillerin ana malzemesi olmaya mahkumdur. NCM811 pil ömrünün hızlı bozulması sorunu nasıl çözülür? İlk olarak, NCM811’in parçacık yüzeyi, performansını artırmak için modifiye edildi. İkincisi, çevrim ömrünü ve güvenliğini artırmak için ikisinin parazitik reaksiyonunu azaltabilen elektroliti kullanmaktır. Fotoğraf

QR kodunu belirlemek için uzun basın, lityum π ekleyin!

Paylaşmaya hoş geldiniz!