홈페이지 / 블로그 / 미스터리 공개: 리튬 이온 배터리의 초이론적 용량

미스터리 공개: 리튬 이온 배터리의 초이론적 용량

29 11 월, 2023

By hoppt

리튬 배터리가 존재하는 이유 초이론 용량 현상

리튬 이온 배터리(LIB)에서 많은 전이 금속 산화물 기반 전극은 이론적인 값을 넘어서는 비정상적으로 높은 저장 용량을 나타냅니다. 이 현상은 널리 보고되었지만 이러한 물질의 기본 물리화학적 메커니즘은 아직 파악하기 어렵고 논쟁의 여지가 남아 있습니다.

결과 프로필

최근 캐나다 워털루대학교 미아오궈싱(Miao Guoxing) 교수, 오스틴 텍사스대학교 위귀화(Yu Guihua) 교수, 칭다오대학교 리훙센(Li Hongsen), 리창(Li Qiang)이 공동으로 '추가 저장 용량'이라는 제목으로 자연 소재에 관한 연구 논문을 발표했다. 현장 자기 측정법으로 밝혀진 전이 금속 산화물 리튬 이온 배터리 ". 이 연구에서 저자는 금속 나노입자에 강한 표면 정전용량이 존재하고 이미 환원된 금속 나노입자에 많은 수의 스핀 분극 전자가 저장될 수 있다는 사실을 입증하기 위해 현장 자기 모니터링을 사용했는데, 이는 공간 전하 메커니즘과 일치합니다. 또한 밝혀진 공간 전하 메커니즘은 다른 전이 금속 화합물로 확장될 수 있어 고급 에너지 저장 시스템 구축을 위한 핵심 지침을 제공합니다.

연구 하이라이트

(1) 현장 자기 모니터링 기술3O4/Li 배터리 내부 전자 구조의 진화를 사용하여 전형적인 Fe를 연구했습니다.

(2) Fe3O4/Li 시스템에서 표면 전하 용량이 추가 용량의 주요 원인임을 나타냅니다.

(3) 금속 나노입자의 표면 용량 메커니즘은 광범위한 전이 금속 화합물로 확장될 수 있습니다.

텍스트 및 텍스트 가이드

  1. 구조적 특성 및 전기화학적 특성

단분산 중공 Fe는 기존의 열수 방법인 3O4Nanospheres로 합성한 후 100mAg-1에서 전류 밀도로 충전 및 방전을 수행했습니다(그림 1a). 첫 번째 방전 용량은 두 번째 및 세 번째에서 각각 1718mAh g−1, 1370mAhg입니다. 1그리고 1,364mAhg−1, 926mAhg−1을 훨씬 넘는 기대 이론. 완전히 방전된 생성물의 BF-STEM 이미지(그림 1b-c)는 리튬 환원 후 Fe3O4나노구체가 Li1O 중심에 분산된 약 3~2 nm 크기의 더 작은 Fe 나노입자로 변환되었음을 나타냅니다.

전기화학 주기 동안 자성의 변화를 입증하기 위해 0.01V까지 완전 방전된 후의 자화 곡선이 얻어졌으며(그림 1d), 이는 나노입자 형성으로 인한 초상자성 거동을 보여줍니다.

그림 1(a) 100mAg-1Fe에서 전류 밀도3O4/정전류 충전 및 방전 곡선의 Li 배터리 사이클링; (b) 완전 리튬 Fe3O4전극의 BF-STEM 이미지; (c) O와 Fe 모두의 집합체2고해상도 BF-STEM 이미지에 Li의 존재; (d) Fe3O4전극(검은색)과 후(파란색)의 히스테리시스 곡선과 후자의 Langevin 적합 곡선(보라색).

  1. 구조적 및 자기적 진화의 실시간 감지

전기화학을 Fe3O4와 연결된 구조 및 자기 변화와 결합하기 위해 전극은 현장 X선 회절(XRD) 및 현장 자기 모니터링을 거쳤습니다. 개방 회로 전압(OCV)에서 3V4O1.2로의 초기 방전 동안 일련의 XRD 회절 패턴에서 Fe 회절 피크는 강도나 위치에서 크게 변하지 않았으며(그림 3a), 이는 Fe4O2만 Li 삽입 과정을 경험했음을 나타냅니다. 3V로 충전하면 Fe4O3반스피넬 구조가 그대로 유지되어 이 전압 창의 프로세스가 매우 가역적임을 시사합니다. 자화가 실시간으로 어떻게 진행되는지 조사하기 위해 정전류 충전-방전 테스트와 결합된 추가 현장 자기 모니터링을 수행했습니다(그림 3b).

그림 2 현장 XRD 및 자기 모니터링의 특성.(A) 현장 XRD; (b) 3T 인가 자기장 및 해당 가역적 현장 자기 반응 하의 Fe4O3 전기화학적 충전-방전 곡선.

자화 변화 측면에서 이 변환 과정에 대한 보다 기본적인 이해를 얻기 위해 자기 반응과 전기 화학적으로 구동되는 반응에 수반되는 해당 위상 전이가 실시간으로 수집됩니다(그림 3). 첫 번째 방전 동안 Fe3O4 전극의 자화 반응은 첫 번째 리튬화 동안 Fe3O4로 인해 비가역적인 상전이가 발생하여 다른 사이클과 다르다는 것이 분명합니다. 전위가 0.78V로 떨어지면 Fe3O4반스피넬 상이 Li2를 포함하는 FeO 클래스 O의 암염 구조로 전환되고, Fe3O4상은 충전 후에 복원될 수 없습니다. 이에 따라 자화는 0.482μb Fe−1로 급격히 떨어집니다. 리튬화가 진행됨에 따라 새로운 상이 형성되지 않고 (200) 및 (220) 클래스 FeO 회절 피크의 강도가 약해지기 시작했습니다. Fe3O4와 동일하게 전극이 완전히 Liialized될 때 유지되는 중요한 XRD 피크는 없습니다(그림 3a). Fe3O4 전극이 0.78V에서 0.45V로 방전될 때 자화(0.482 μ b Fe−1에서 1.266 μ bFe−1로 증가)는 FeO에서 Fe로의 전환 반응에 기인합니다. 그리고 방전이 끝나면 자화는 1.132μB Fe−1까지 서서히 감소하였다. 이 발견은 완전히 환원된 금속 Fe0Nano입자가 여전히 리튬 저장 반응에 참여하여 전극의 자화를 감소시킬 수 있음을 시사합니다.

그림 3. 상전이 및 자기 반응의 현장 관찰. (a) 전극의 첫 번째 방전 동안 수집된 Fe3O4 현장 XRD 맵; (b) 3T의 적용된 자기장에서 /Li 셀의 전기화학적 주기의 Fe4O3 현장 자기력 측정.

  1. O 시스템의 Fe0/Li2표면 정전용량

Fe3O4 전극의 자기 변화는 낮은 전압에서 발생하며, 이 경우 추가적인 전기화학적 용량이 생성될 가능성이 가장 높으며, 이는 셀 내에 발견되지 않은 전하 캐리어가 존재함을 시사합니다. 잠재적인 리튬 저장 메커니즘을 탐색하기 위해 XPS, STEM 및 3V, 4V 및 0.01V에서 자화 피크의 자기 성능 스펙트럼 0.45O1.4 전극을 통해 Fe를 연구하여 자기 변화의 원인을 확인했습니다. 결과는 측정된 Fe0/Li2O 시스템의 Ms가 자기 이방성 및 입자 간 결합에 의해 영향을 받지 않기 때문에 자기 모멘트가 자기 변화에 영향을 미치는 핵심 요소임을 보여줍니다.

Fe3O4저전압에서 전극의 운동 특성을 더 자세히 이해하려면 다양한 스캔 속도에서 순환 전압전류법을 사용합니다. 그림 4a에 표시된 것처럼 직사각형 순환 전압전류곡선은 0.01V~1V 사이의 전압 범위 내에서 나타납니다(그림 4a). 그림 4b는 Fe3O4A 용량성 응답이 전극에서 발생했음을 보여줍니다. 정전류 충방전 과정의 가역성이 높은 자기 응답으로 인해(그림 4c), 전극의 자화는 방전 과정에서 1V에서 0.01V로 감소했다가 충전 과정에서 다시 증가하여 Fe0의 커패시터와 유사함을 나타냅니다. 표면 반응은 매우 가역적입니다.

그림 4. 0.011V에서의 전기화학적 특성 및 현장 자기 특성.(A) 순환 전압전류 곡선.(B) b 값은 피크 전류와 스캔 속도 사이의 상관 관계를 사용하여 결정됩니다. (c) 5T 인가 자기장 하에서 충방전 곡선에 대한 자화의 가역적 변화.

위에서 언급한 Fe3O4 전극의 전기화학적, 구조적 및 자기적 특징은 추가 배터리 용량이 Fe0O에 의해 결정된다는 것을 나타냅니다. 나노입자의 스핀 분극 표면 용량은 수반되는 자기 변화에 의해 발생합니다. 스핀 분극 커패시턴스는 계면에서 스핀 분극 전하 축적의 결과이며 충전 및 방전 중에 자기 반응을 나타낼 수 있습니다. Fe3O4로 첫 번째 방전 과정에서 기본 전극은 O 기판의 Li2Fine Fe 나노 입자에 분산되어 있습니다. 표면 대 부피 비율이 크고, 고도로 국지화된 d 궤도로 인해 페르미 준위에서 높은 상태 밀도를 실현합니다. Maier의 공간 전하 저장 이론 모델에 따르면, 저자들은 Fe/Li2에서 발견될 수 있는 금속 Fe 나노입자의 스핀 분할 밴드에 많은 양의 전자가 저장될 수 있다고 제안하고 O 나노복합체에 스핀 분극 표면 커패시터를 생성합니다. 그림 5).

그래프 5Fe/Li2A O-계면에서 스핀 분극된 전자의 표면 커패시턴스의 도식적 표현.(A) 강자성 금속 입자 표면의 스핀 분극 상태 밀도의 개략도(방전 전후), 철의 벌크 스핀 분극; (b) 과충전된 리튬의 표면 커패시터 모델에서 공간 전하 영역의 형성.

요약 및 전망

TM/Li는 고급 현장 자기 모니터링을 통해 조사되었습니다.2O 나노복합체의 내부 전자 구조의 진화를 통해 이 리튬 이온 배터리의 추가 저장 용량 소스를 밝힐 수 있습니다. 결과는 Fe3O4/Li 모델 셀 시스템 모두에서 전기화학적으로 환원된 Fe 나노입자가 과도한 셀 용량과 크게 변경된 계면 자기로 인해 많은 양의 스핀 분극 전자를 저장할 수 있음을 보여줍니다. 실험을 통해 CoO, NiO 및 FeF2및 Fe2N 전극 물질에 이러한 정전 용량이 존재한다는 것은 리튬 이온 배터리에서 금속 나노입자의 스핀 분극 표면 정전 용량이 존재함을 나타내며 다른 전이에서 이 공간 전하 저장 메커니즘을 적용하기 위한 토대를 마련합니다. 금속화합물 기반의 전극재료.

문헌 링크

현장 자기측정법을 통해 밝혀진 전이 금속 산화물 리튬 이온 배터리의 추가 저장 용량(Nature Materials , 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y)

리튬 전극 웨이퍼 설계식과 전극 웨이퍼 결함이 성능에 미치는 영향

  1. 폴 필름 디자인 기초 기사

리튬전지 전극은 입자로 구성된 코팅으로 금속액체에 고르게 도포됩니다. 리튬 이온 배터리 전극 코팅은 주로 세 부분으로 구성된 복합 재료로 간주될 수 있습니다.

(1) 활성물질 입자;

(2) 도전제와 도전제의 구성상(카본 접착상);

(3) 기공, 전해질을 채운다.

각 상의 부피 관계는 다음과 같이 표현됩니다.

다공성 + 생체 부피 분율 + 탄소 접착상 부피 분율 = 1

리튬전지 전극설계의 디자인은 매우 중요하며, 이제 리튬전지 전극설계의 기본 지식을 간략하게 소개합니다.

(1) 전극재료의 이론용량 전극재료의 이론용량, 즉 전기화학반응에 관여하는 재료 중의 모든 리튬이온이 제공하는 용량으로서 그 값은 다음 식에 의해 계산된다.

예를 들어, LiFePO4몰 질량은 157.756 g/mol이고 이론 용량은 다음과 같습니다.

이 계산된 값은 이론적인 그램 용량일 뿐입니다. 재료의 가역적 구조를 보장하기 위해 실제 리튬 이온 제거 계수는 1보다 작고 재료의 실제 그램 용량은 다음과 같습니다.

물질의 실제 그램 용량 = 리튬 이온 분리 계수의 이론 용량

(2) 전지 설계 용량과 극도의 일방적 밀도 전지 설계 용량은 다음 공식으로 계산할 수 있다: 전지 설계 용량 = 코팅 표면 밀도 활물질 비율 활물질 그램 용량 극 시트 코팅 면적

그 중 코팅의 표면 밀도는 핵심 설계 매개변수입니다. 압축밀도가 변하지 않는 경우 코팅면밀도가 증가한다는 것은 극시트의 두께가 증가하고 전자전달거리가 증가하여 전자저항이 증가함을 의미하지만 증가정도에는 한계가 있다. 두꺼운 전극 시트에서는 전해질 내 리튬 이온의 이동 임피던스 증가가 비율 특성에 영향을 미치는 주요 원인입니다. 다공성과 기공 비틀림을 고려하면 기공 내 이온 이동 거리는 극 시트 두께의 몇 배 이상입니다.

(3) 음-양 용량 비율 N/P 음 용량 대 양 용량의 비율은 다음과 같이 정의됩니다.

N/P는 1.0보다 커야 하며, 일반적으로 1.04~1.20이어야 하며, 이는 주로 안전 설계에 있어서 음극 리튬 이온이 수용 소스 없이 석출되는 것을 방지하기 위해 코팅 편차와 같은 공정 용량을 고려하여 설계합니다. 그러나 N/P가 너무 크면 배터리의 비가역적 용량이 손실되어 배터리 용량이 낮아지고 배터리 에너지 밀도가 낮아집니다.

티탄산리튬 양극의 경우 양극 과잉 설계가 채택되었으며 배터리 용량은 티탄산리튬 양극의 용량에 따라 결정됩니다. 양극 초과 설계는 배터리의 고온 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 고온 가스는 주로 음극에서 나옵니다. 양의 과잉 설계에서는 음의 전위가 낮고 티탄산리튬 표면에 SEI 피막을 형성하기가 더 쉽습니다.

(4) 코팅의 다짐밀도 및 기공률 제조과정에서 전지전극의 코팅 다짐밀도는 다음 식에 의해 계산된다. 극판을 압연할 때 금속박이 늘어나는 점을 고려하면 롤러 후 코팅의 표면밀도는 다음 식에 의해 계산된다.

앞서 언급한 바와 같이 코팅은 생체물질상, 탄소접착상, 기공으로 구성되며, 기공률은 다음 식으로 계산할 수 있다.

그 중 코팅의 평균 밀도는 다음과 같습니다. 리튬 배터리 전극은 일종의 코팅 분말 입자입니다. 분말 입자 표면이 거칠고 불규칙한 모양이기 때문에 축적 시 입자와 입자 사이의 입자가 있고 일부 입자 자체에는 균열과 기공이 있기 때문입니다. 따라서 분말 부피를 포함한 분말 부피, 분말 입자와 입자 사이의 기공, 그에 따른 다양한 전극 코팅 밀도 및 다공성 표현이 이에 해당합니다. 분말 입자의 밀도는 단위 부피당 분말의 질량을 나타냅니다. 분말의 부피에 따라 진밀도, 입자밀도, 축적밀도의 XNUMX가지로 구분됩니다. 다양한 밀도는 다음과 같이 정의됩니다.

  1. 진밀도란 분말의 질량을 입자의 내부와 외부 틈을 제외한 부피(실제 부피)로 나눈 밀도를 말합니다. 즉, 모든 공극의 부피를 제외하고 얻은 물질 자체의 밀도입니다.
  2. 입자 밀도는 분말 질량을 열린 구멍과 닫힌 구멍을 포함한 입자 부피로 나누어 얻은 입자의 밀도를 의미합니다. 즉, 입자 사이의 틈이 아니라 입자 내부의 미세한 기공이 아닌 입자 자체의 밀도입니다.
  3. 축적 밀도, 즉 코팅 밀도는 분말 질량을 분말에 의해 형성된 코팅의 부피로 나누어 얻은 밀도를 나타냅니다. 사용된 부피에는 입자 자체의 기공과 입자 사이의 공극이 포함됩니다.

동일한 분말의 경우 실제 밀도> 입자 밀도> 충전 밀도입니다. 분체의 기공률이란 분체 입자 코팅에 존재하는 기공의 비율, 즉 코팅의 전체 부피에 대한 분말 입자와 입자의 기공 사이의 공극 부피의 비율을 말하는데, 이는 일반적으로 표현된다 백분율로. 분말의 다공성은 입자 형태, 표면 상태, 입자 크기 및 입자 크기 분포와 관련된 포괄적인 특성입니다. 다공성은 전해질 침투 및 리튬 이온 전달에 직접적인 영향을 미칩니다. 일반적으로 기공률이 클수록 전해질 침투가 용이하고 리튬 이온 전달이 빨라집니다. 따라서 리튬전지의 설계에 있어서 다공성을 결정하기 위해 흔히 사용되는 수은압력법, 기체흡착법 등의 밀도계산을 이용하여 구할 수도 있다. 다공성은 계산에 다른 밀도를 사용할 때 다른 의미를 가질 수도 있습니다. 생체, 도전제, 결착재의 기공률 밀도를 진밀도에 의해 계산할 때, 계산된 기공률에는 입자 사이의 간격과 입자 내부의 간격이 포함됩니다. 입자밀도를 이용하여 생체, 도전제, 결착재의 기공률을 계산할 때, 계산된 기공률에는 입자 사이의 간격이 포함되지만, 입자 내부의 간격은 포함되지 않습니다. 따라서 리튬 배터리 전극 시트의 기공 크기도 다중 규모이며, 일반적으로 입자 사이의 간격은 마이크론 규모인 반면, 입자 내부의 간격은 나노미터에서 서브미크론 규모입니다. 다공성 전극에서 유효 확산도 및 전도도와 같은 수송 특성의 관계는 다음 방정식으로 표현될 수 있습니다.

D0가 물질 자체의 고유 확산(전도) 속도를 나타내는 경우, ε는 해당 상의 부피 분율이고, τ는 해당 상의 순환 곡률입니다. 거시적 균질 모델에서는 Bruggeman 관계가 일반적으로 사용되며 다공성 전극의 유효 양성을 추정하기 위해 계수 ɑ = 1.5를 사용합니다.

다공성 전극의 기공에는 전해질이 채워져 있으며, 전해질을 통해 리튬 이온이 전도되며, 리튬 이온의 전도 특성은 다공성과 밀접한 관련이 있습니다. 다공성이 클수록 전해질 상의 부피 분율이 높아지고 리튬 이온의 유효 전도도가 높아집니다. 양극 시트에서 전자는 탄소 접착상을 통해 전달되며, 탄소 접착상의 부피 분율과 탄소 접착상의 우회는 전자의 유효 전도도를 직접적으로 결정합니다.

탄소 접착상의 다공성과 부피 분율은 모순되며, 큰 다공성은 필연적으로 탄소 접착상의 부피 분율로 이어지므로 그림 2와 같이 리튬 이온과 전자의 유효 전도 특성도 모순됩니다. 기공률이 감소할수록 리튬이온 유효 전도도는 감소하고, 전자 유효 전도도는 증가한다. 이 둘의 균형을 맞추는 방법도 전극 설계에 있어서 중요합니다.

그림 2 다공성과 리튬이온 및 전자전도도의 모식도

2. 전주결함의 종류와 검출

 

현재 배터리 극 준비 과정에서 제품의 제조 결함을 효과적으로 식별하고 결함 제품을 제거하며 생산 라인에 대한 적시 피드백, 생산 자동 또는 수동 조정을 위해 점점 더 많은 온라인 감지 기술이 채택되고 있습니다. 공정을 진행하여 불량률을 줄입니다.

극 시트 제조에 일반적으로 사용되는 온라인 감지 기술에는 슬러리 특성 감지, 극 시트 품질 감지, 치수 감지 등이 포함됩니다. 예: (1) 온라인 점도계는 유변학적 특성을 감지하기 위해 코팅 저장 탱크에 직접 설치됩니다. 실시간으로 슬러리의 특성을 파악하고, 슬러리의 안정성을 테스트합니다. (2) 코팅 공정에서 X선이나 β선을 사용하면 측정 정확도가 높지만 방사선량이 많고 장비 가격이 높으며 유지 관리 문제가 있습니다. (3) 레이저 온라인 두께 측정 기술을 적용하여 극 시트의 두께를 측정합니다. 측정 정확도는 ± 1 μm에 도달할 수 있습니다. 또한 측정된 두께와 두께의 변화 추세를 실시간으로 표시할 수 있으며 데이터 추적이 용이합니다. 및 분석; (0) CCD 비전 기술, 즉 라인 어레이 CCD를 사용하여 측정 대상을 스캔하고, 실시간 이미지 처리 및 결함 범주 분석, 폴 시트 표면 결함의 비파괴 온라인 감지를 실현합니다.

품질 관리 도구로서 결함과 배터리 성능 간의 상관관계를 이해하여 반제품에 대한 적격/부적격 기준을 결정하려면 온라인 테스트 기술도 필수적입니다.

후반부에서는 리튬이온 배터리의 새로운 표면 결함 검출 기술인 적외선 열화상 기술과 이러한 다양한 결함과 전기화학적 성능 간의 관계를 간략하게 소개합니다. D. Mohanty와 상담하십시오. Mohanty et al의 철저한 연구.

(1) 폴 시트 표면의 일반적인 결함

그림 3은 리튬 이온 배터리 전극 표면의 일반적인 결함을 보여줍니다. 왼쪽은 광학 이미지이고 오른쪽은 열화상 카메라로 캡처한 이미지입니다.

그림 3 극 시트 표면의 일반적인 결함: (a, b) 돌출 봉투/골재; (c, d) 재료/핀홀을 떨어뜨리는 단계; (e, f) 금속 이물질; (g, h) 고르지 않은 코팅

 

(A, b) 돌출/응집물이 돌출되어 슬러리가 균일하게 교반되거나 코팅 속도가 불안정한 경우 이러한 결함이 발생할 수 있습니다. 접착제와 카본블랙 도전제의 집합으로 유효성분 함량이 낮고 극성정의 무게가 가볍습니다.

 

(c, d) 드롭/핀홀, 이러한 결함 영역은 코팅되지 않았으며 일반적으로 슬러리의 기포에 의해 생성됩니다. 이는 활성 물질의 양을 줄이고 집전체를 전해질에 노출시켜 전기화학적 용량을 감소시킵니다.

 

(E, f) 장비 및 환경에 유입된 금속 이물질, 슬러리 또는 금속 이물질, 금속 이물질은 리튬 배터리에 큰 해를 끼칠 수 있습니다. 큰 금속 입자가 다이어프램을 직접 손상시켜 양극과 음극 사이에 단락이 발생하는데, 이는 물리적 단락입니다. 또한, 양극에 금속 이물질이 혼합되면 충전 후 양극 전위가 높아지면서 금속이 용해되어 전해액을 통해 확산된 후 음극 표면에 석출되어 최종적으로 격막에 구멍이 나면서 단락이 발생하게 되고, 이는 화학적 용해 단락입니다. 배터리 공장 현장에서 가장 흔히 발견되는 금속 이물질은 Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS 등입니다.

 

(g, h) 슬러리 혼합이 충분하지 않은 것과 같은 불균일한 코팅, 입자 미세도가 입자가 크면 줄무늬가 나타나기 쉽고 코팅이 고르지 않아 배터리 용량의 일관성에 영향을 미치고 심지어 완전히 나타납니다. 코팅 줄무늬가 없으며 용량과 안전성에 영향을 미칩니다.

(2) 폴 칩 표면 결함 검출 기술 적외선(IR) 열화상 기술은 리튬이온 배터리의 성능을 손상시킬 수 있는 건식 전극의 사소한 결함을 검출하는 데 사용됩니다. 온라인 검출 시 전극 불량이나 오염 물질이 검출되면 폴 시트에 표시하고 후속 공정에서 제거한 후 생산 라인에 피드백하고 적시에 공정을 조정해 불량을 제거한다. 적외선은 전파, 가시광선과 동일한 성질을 갖는 전자기파의 일종이다. 특수한 전자장치를 이용하여 물체 표면의 온도 분포를 사람의 눈이 볼 수 있는 가시 이미지로 변환하고, 물체 표면의 온도 분포를 다양한 색상으로 표시하는 것을 적외선 열화상 기술이라고 합니다. 이 전자 장치를 적외선 열화상 장비라고 합니다. 절대 영도(-273℃) 이상의 모든 물체는 적외선을 방출합니다.
그림 4와 같이 적외선 열 근사기(IR 카메라)는 적외선 감지기와 광학 이미징 대물렌즈를 사용하여 측정된 대상 물체의 적외선 에너지 분포 패턴을 받아들이고 이를 적외선 감지기의 감광 요소에 반사하여 결과를 얻습니다. 물체 표면의 열 분포 장에 해당하는 적외선 열화상. 물체 표면에 결함이 있으면 해당 부분의 온도가 이동합니다. 따라서 이 기술은 물체 표면의 결함을 감지하는 데에도 사용할 수 있으며, 특히 광학적 감지 수단으로 구별할 수 없는 일부 결함에 적합합니다. 리튬 이온 배터리의 건조 전극이 온라인으로 감지되면 먼저 전극 전극에 플래시가 조사되고 표면 온도가 변한 다음 열 화상 카메라로 표면 온도가 감지됩니다. 열 분포 이미지를 시각화하여 실시간으로 이미지를 처리, 분석하여 표면 결함을 적시에 감지하고 표시합니다.D. Mohanty 연구에서는 전극 시트 표면의 온도 분포 이미지를 감지하기 위해 코터 건조 오븐 출구에 열화상 장비를 설치했습니다.

그림 5(a)는 열화상카메라로 검출한 NMC 양극 시트 코팅 표면의 온도 분포 맵으로, 육안으로 식별할 수 없는 매우 작은 결함이 포함되어 있다. 경로 세그먼트에 해당하는 온도 분포 곡선은 결함 지점의 온도 스파이크와 함께 내부 삽입에 표시됩니다. 그림 5(b)에서는 폴 시트 표면의 결함에 따라 해당 상자에서 국부적으로 온도가 증가합니다. 무화과. 도 6은 결함의 존재를 나타내는 음극 시트의 표면 온도 분포도로서, 온도가 상승하는 피크는 기포 또는 응집체에 해당하고, 온도가 감소하는 영역은 핀홀 또는 드롭에 해당한다.

그림 5 양극 시트 표면의 온도 분포

그림 6 음극 표면의 온도 분포

 

온도분포의 열화상 검출은 극시트 표면 결함 검출의 좋은 수단임을 알 수 있으며, 이는 극시트 제조의 품질관리에 사용될 수 있다.3. 극 시트 표면 결함이 배터리 성능에 미치는 영향

 

(1) 배터리 증배기 용량 및 쿨롱 효율에 미치는 영향

그림 7은 집합체와 핀홀이 배터리 증배기 용량과 쿨렌 효율에 미치는 영향 곡선을 보여줍니다. 집합체는 실제로 배터리 용량을 향상시킬 수 있지만 쿨렌 효율은 감소시킵니다. 핀홀은 배터리 용량과 쿨룬 효율을 감소시키며, 쿨룬 효율은 높은 비율로 크게 감소합니다.

그림 7의 양극 집합체와 핀홀이 전지 용량 및 효율에 미치는 영향 그림 8의 불균일한 코팅과 금속 이물질인 Co와 Al이 전지 용량에 미치는 영향과 효율 곡선의 영향, 불균일한 코팅이 전지 단위 질량 용량을 10% 감소 - 20%이지만 전체 배터리 용량은 60% 감소했는데, 이는 극지방의 생명체가 크게 감소했음을 보여준다. Metal Co 이물질은 용량 및 쿨롱 효율을 감소시켰으며, 2C 및 5C 고배율에서도 용량이 전혀 없습니다. 이는 내장된 리튬과 리튬의 전기화학 반응에서 금속 Co가 형성되었거나 금속 입자일 수 있기 때문일 수 있습니다. 다이어프램 구멍이 막혀 마이크로 단락이 발생했습니다.

그림 8 양극의 불균일한 코팅과 금속 이물질인 Co, Al이 배터리 증배율 용량과 쿨렌 효율에 미치는 영향

음극 시트 결함 요약: 음극 시트 코팅의 부식물은 배터리의 쿨롱 효율을 감소시킵니다. 포지티브 코팅의 핀홀은 쿨롱 효율을 감소시켜 특히 높은 전류 밀도에서 승수 성능이 저하됩니다. 이질적인 코팅은 배율 성능이 좋지 않은 것으로 나타났습니다. 금속입자 오염물질은 미세단락을 발생시켜 배터리 용량을 크게 감소시킬 수 있습니다.
그림 9는 네거티브 누설 포일 스트립이 배터리의 승수 용량과 쿨룬 효율에 미치는 영향을 보여줍니다. 음극에서 누출이 발생하면 배터리 용량이 크게 감소하지만 그램 용량은 명확하지 않으며 쿨룬 효율에 미치는 영향도 크지 않습니다.

 

그림 9 음극 누설 포일 스트립이 배터리 증배기 용량 및 Kulun 효율에 미치는 영향 (2) 배터리 증배기 사이클 성능에 대한 영향 그림 10은 전극 표면 결함이 배터리 증배기 사이클에 미치는 영향의 결과입니다. 영향 결과는 다음과 같이 요약됩니다.
집계: 2C에서는 200사이클 용량 유지율이 70%, 불량 배터리는 12%이고, 5C 사이클에서는 200사이클 용량 유지율이 50%, 불량 배터리가 14%이다.
바늘 구멍: 용량 감쇠는 분명하지만 총 결함 감쇠는 빠르지 않으며 200주기 2C와 5C의 용량 유지율은 각각 47%와 40%입니다.
금속 이물질: 금속 Co 이물질의 용량은 여러 사이클 후에 거의 0이 되며, 금속 이물질 Al 포일의 5C 사이클 용량은 크게 감소합니다.
누출 스트립: 동일한 누출 영역에 대해 여러 개의 작은 줄무늬의 배터리 용량은 큰 줄무늬보다 빠르게 감소합니다(47C에서 200사이클의 경우 5%)(7C에서 200사이클의 경우 5%). 이는 스트라이프 수가 많을수록 배터리 사이클에 미치는 영향이 더 크다는 것을 나타냅니다.

그림 10 전극 시트 표면 결함이 셀 속도 사이클에 미치는 영향

 

참조: [1] 인라인 레이저 캘리퍼 및 IR 열화상 방법을 이용한 슬롯 다이 코팅 리튬 이차전지 전극의 비파괴 평가 [J].ANALYTICALMETHODS.2014, 6(3): 674-683.[2]효과 리튬이온 배터리의 전기화학적 성능에 대한 전극 제조 결함에 대한 연구: 배터리 고장 원인 인식[J].Journal of Power Sources.2016, 312: 70-79.

 

닫기_흰색
가까운

여기에 문의 작성

6 시간 이내에 회신, 질문 환영합니다!