Aplicação de revestimento cerâmico na bateria de lítio

As baterias de íons de lítio têm vantagens marcantes, como alta tensão, alta capacidade, tamanho pequeno, peso leve, proteção ambiental e longa vida útil. Eles têm sido amplamente utilizados em vários produtos eletrônicos portáteis e veículos elétricos. No entanto, ainda há certos problemas na segurança das baterias de íons de lítio, especialmente seus problemas de segurança em condições como alta temperatura, sobrecarga e curto-circuito, que se tornaram problemas técnicos que devem ser superados quando as baterias de íons de lítio do tipo energia são aplicadas em larga escala.

Atualmente, muitos fabricantes de baterias de lítio usam pó cerâmico para revestir peças negativas de polo ou separadores de cerâmica e outros materiais relacionados ao "pó cerâmico" para melhorar a segurança das baterias de lítio. Na verdade, o pó cerâmico não é "cerâmica", mas partículas de alumina de tamanho nano. Nano alumina é um dos nano materiais funcionais especiais com importantes perspectivas de valor de aplicação e desenvolvimento. Possui uma série de excelentes características como alta estabilidade térmica, estabilidade química, resistência à corrosão e alta dureza. É amplamente utilizado em materiais cerâmicos e materiais biológicos. Materiais médicos, materiais semicondutores, portadores de catalisadores, materiais de camada de proteção de superfície e materiais ópticos. É precisamente por causa de uma estabilidade térmica tão boa que a nanoluminação é considerada um bom material de isolamento térmico e espera-se que faça uma contribuição significativa para melhorar o desempenho de segurança das baterias de íons de lítio.

Atualmente, a nanoluminação é usada principalmente para revestir eletrodos ou diafragmas para melhorar a segurança do diafragma e reduzir a taxa interna de curto-circuito.

1. Revestimento cerâmico de ânodo

Atualmente, o pó cerâmico é geralmente misturado com CMC e dissolvido em água deionizada para formar um chorume. O chorume é então revestido na peça do poste, e o estado da peça do polo sob SEM após a secagem é mostrado na Figura 1. Nas imagens (a) e (b) na Figura 1, é óbvio que o revestimento cerâmico é uniformemente distribuído na superfície do eletrodo negativo na forma de partículas. O efeito do revestimento cerâmico no desempenho das baterias de lítio é o seguinte:

Figura 1. SEM de dois tipos de polos negativos não circulados

1. O revestimento cerâmico não tem influência óbvia na capacidade da bateria de lítio;

2. A adição de pó cerâmico aumentará a resistência interna da bateria de lítio. Isso porque o principal componente do revestimento cerâmico é o Al2O3, que não é condutor. O revestimento da cerâmica na superfície do material eletrodo negativo dificultará o caminho dos elétrons para o eletrodo negativo, de modo que a resistência corporal da bateria aumentará;

3. O desempenho do ciclo da bateria de revestimento cerâmico é melhor do que o da bateria sem revestimento cerâmico. Além disso, ao revestir pó cerâmico na superfície do eletrodo negativo, aumentando o efeito de passivação da superfície do eletrodo negativo e aumentando o isolamento eletrônico, a deterioração do desempenho elétrico da bateria em condições de armazenamento de alta temperatura pode ser efetivamente suprimida. A análise SEM das peças do polo da bateria após o ciclismo é mostrada na figura 2 mostrada.

Figura 2. SEM de poste negativo após dois ciclos

Pode-se ver a partir da figura que a superfície do eletrodo negativo revestido não cerâmico é coberta com uma camada de partículas finas, que é presumidamente um composto formado pela deposição de lítio durante o processo de carga e descarga, enquanto a superfície do eletrodo negativo revestido de cerâmica é relativamente lisa e cerâmica Uniformemente distribuída na superfície da peça do polo. Especula-se que o desempenho do ciclo da bateria está relacionado com o revestimento cerâmico. Durante o ciclo da bateria, o filme SEI negativo crescerá e ficará mais grosso. Um filme SEI excessivamente grosso não só consumirá mais íons de lítio, mas também causará lítio durante o carregamento. Os íons não podem estar bem embutidos no eletrodo negativo, mas precipitam-se na superfície do eletrodo negativo ou mesmo na superfície do separador, resultando em perda de capacidade durante o ciclo. O revestimento de uma camada de separador cerâmico na superfície do eletrodo negativo pode ser capaz de bloquear efetivamente o crescimento do eletrodo negativo PE, reduzindo assim a perda de íons de lítio durante o ciclo. Além disso, o eletrólito continuará a se decompor durante o ciclo da bateria, e o revestimento cerâmico tem uma certa capacidade de absorção líquida, o que pode melhorar a taxa de retenção da capacidade do eletrólito durante os ciclos de carga e descarga a longo prazo. Portanto, o revestimento cerâmico pode melhorar o desempenho do ciclo da bateria ternária de íons de lítio.

4. A segurança das baterias revestidas de cerâmica é maior do que a das baterias revestidas não cerâmicas. Duas baterias diferentes foram submetidas a experimentos de acupuntura sob as mesmas condições experimentais, e os resultados são mostrados na Figura 3.

Figura 3. Resultados da acupuntura de duas baterias

Pode-se ver a partir da Figura 3 que a temperatura máxima da acupuntura da bateria revestida de cerâmica é de 123,1 °C. Após o teste, a bateria fica ligeiramente inchada sem fumaça ou explosão; a temperatura máxima da bateria não revestida de cerâmica é de 410 °C. Durante o teste, a bateria explodiu e fumou, a tampa superior foi quebrada, e o teste falhou. A razão para o fenômeno acima pode estar relacionada com o revestimento cerâmico na superfície do eletrodo negativo. Uma vez que o perfuração da agulha simula um curto-circuito na bateria, uma grande quantidade de calor será gerada em pouco tempo, e o revestimento cerâmico na superfície do eletrodo negativo pode retardar a perda de calor durante o processo de perfuração da agulha. Aumente acentuadamente, atrasando assim a decomposição térmica do eletrólito, e evitando a explosão da bateria devido a uma grande quantidade de gás gerada em pouco tempo. Portanto, o revestimento cerâmico melhora significativamente o desempenho de segurança das baterias de íons de lítio.

2. Diafragma cerâmico

Atualmente, os pesquisadores melhoram principalmente o desempenho da bateria em termos de materiais positivos e negativos, separadores, eletrólitos e design de bateria. Entre eles, separadores de cerâmica são uma maneira eficaz de melhorar o desempenho da bateria. Os separadores cerâmicos podem não só melhorar o desempenho da segurança da bateria, mas também melhorar o desempenho do ciclo da bateria e reduzir a taxa de auto-descarga. Existem vários métodos de fabricação para diafragmas cerâmicos, como deposição de vapor químico e revestimento de superfície. O diafragma cerâmico pode melhorar o ciclo e o desempenho de segurança das baterias de íons de lítio, mas seu processo de preparação é difícil de controlar, e a cerâmica no diafragma também é propensa a cair durante o ciclo.

1. Diferenças morfológicas

Diafragmas comumente usados no mercado são feitos de PP, PE, ou dois tipos de processamento composto. Embora esses separadores microporosos de poliolefina tenham excelente resistência mecânica e estabilidade química, esses separadores têm estresse interno durante o processo de preparação, e o estresse é liberado em um ambiente de alta temperatura, e o separador terá efeito de encolhimento térmico óbvio, o que torna os eletrodos positivos e negativos dentro da bateria O contato direto do material causa um curto-circuito interno e uma falha de segurança ocorre. O revestimento de partículas de nano alumina na superfície do separador pode melhorar efetivamente a segurança das baterias de lítio. Depois de dissolver e misturar o pó cerâmico com PVDF e NMP e dispersar uniformemente, a máquina de revestimento é ligada para revestir o pó de cerâmica no diafragma PE. A espessura do revestimento cerâmico pode ser controlada e, em seguida, o diafragma cerâmico é feito secando a 80°C por 24 horas. A micro morfologia do diafragma cerâmico é mostrada na Figura 4.

Figura 4. Micro morfologia de PE e diafragma cerâmico

Pode ser visto a partir da figura que as partículas nano-A2O3 revestidas cobrem completamente a superfície da membrana PE, e há uma distribuição desigual de grandes vazios entre as partículas. A existência desses grandes vazios pode facilitar a inserção e extração do Li+ e tem bom desempenho de absorção líquida e retenção líquida para o eletrólito, de modo que não afete o desempenho de carga e descarga da bateria de lítio após o revestimento.

2. Grau de encolhimento do calor

O revestimento cerâmico é útil para melhorar a resistência à alta temperatura do diafragma. Coloque o diafragma de cerâmica e o diafragma comum em uma caixa a diferentes temperaturas por 2 horas. Há uma grande diferença no encolhimento entre os dois tipos de diafragmas. Os resultados experimentais são mostrados na Figura 5.

Figura 5. Dois graus de encolhimento do diafragma a temperaturas diferentes

O diafragma encolhe em alta temperatura porque o diafragma tem estresse interno devido à tração e alongamento durante o processo de preparação. Em um ambiente de alta temperatura, o movimento da cadeia molecular interna do diafragma faz com que o estresse seja liberado e encolhe em uma grande área; mas o diafragma de revestimento cerâmico encolhe a 140 A morfologia do diafragma em si não mudou, exceto pela mudança na cor do diafragma sob a condição de cozimento de °C. Quando os revestimentos inorgânicos revestidos em ambos os lados da superfície do diafragma têm alta resistência à temperatura e desempenho de isolamento térmico, a temperatura do diafragma base em si é reduzida, de modo que o diafragma esteja em alta temperatura. A forma original permanece no ambiente.

3. O diafragma cerâmico é benéfico para melhorar a segurança da bateria

Figura 6. A relação entre a resistência interna e a temperatura da bateria montada com dois tipos de diafragmas

O separador de PE encolhe em uma grande área quando a temperatura é maior do que seu ponto de fusão, de modo que as peças positivas e negativas do polo dentro da bateria entram em contato diretamente e causam um curto-circuito interno. Portanto, a resistência interna da bateria medida diminui rapidamente; no entanto, para o separador revestido mesmo em 150 A morfologia do separador em si não mudará quando for cozido a °C, portanto não haverá curto-circuito dentro da bateria, o que faz com que a resistência interna da bateria ainda aumente. O separador de PE perderá sua estabilidade mecânica em ambiente de alta temperatura, o que levará ao contato direto entre os eletrodos positivo e negativo dentro da bateria e causará um curto-circuito. O separador de revestimento cerâmico tem alta resistência à temperatura para evitar efetivamente um curto-circuito dentro da bateria e melhorar o desempenho de segurança da bateria.

4. O impacto do diafragma cerâmico na duração da bateria

O separador da bateria de íons de lítio não só isola as peças positivas e negativas do polo dentro da bateria, mas também precisa ter boa permeabilidade de íons. Porque o revestimento inorgânico no separador aumentará a espessura do separador, o que pode afetar a condutividade de íons. Mas o experimento prova (Figura 7) que sua influência é mais fraca, mas o diafragma com revestimento cerâmico tem melhor desempenho do ciclo.

Figura 7. Comparação do desempenho do ciclo de dois tipos de baterias de diafragma

Os separadores PP/PE não são polares, com superfície hidrofóbica e baixa energia superficial. É difícil molhar e manter eletrólitos orgânicos polares, como carbonato de etileno e carbonato de propileno, o que afeta diretamente o desempenho do ciclo e o uso da bateria. A vida útil, enquanto a superfície da cerâmica inorgânica é hidrofílica devido à presença de grupos hidroxílicos, sua introdução pode melhorar muito a capacidade de molhar e retenção do diafragma ou eletrodo ao eletrólito, e melhorar muito o desempenho do ciclo da bateria. Ao mesmo tempo, as partículas de nanoluminação têm uma grande área de superfície específica, o que pode melhorar a capacidade de aquítability e retenção líquida do eletrólito para as peças do polo, e também é propício para a vida útil do ciclo da bateria.

resumindo:

Em resumo, os revestimentos cerâmicos têm um impacto importante no desempenho das baterias de íons de lítio, especialmente no desempenho de segurança das baterias de lítio. A cerâmica da superfície do eletrodo e do diafragma pode não apenas reduzir significativamente a taxa interna de curto-circuito da bateria e melhorar a segurança, mas também melhorar a capacidade de eletrólito do eletrodo e do diafragma, reduzir a polarização e melhorar o desempenho geral da bateria. Portanto, a aplicação de revestimentos cerâmicos é uma tendência inevitável no desenvolvimento de baterias de íons de lítio no futuro.