O mecanismo de formação e prevenção do lítio dendrático

Forma:

Simplificando, o lítio dendrático significa que o teor de lítio embutido no grafite excede sua tolerância, e o excesso de íons de lítio se combinará com os elétrons transportados do eletrodo negativo e começará a se depositar na superfície do eletrodo negativo. No processo de carregamento da bateria, o exterior dá uma tensão para o exterior, de modo que os íons de lítio dentro do material eletrodo positivo possam ser extraídos no meio eletrólito. Da mesma forma, os íons de lítio no eletrólito passarão para a camada de carbono sob a condição da diferença de tensão externa. O grafite tem um canal em camadas, e o lítio entrará no canal para formar um composto carbono-lítio com carbono, formando um composto de intercalação de grafite como LiCx (x=1~6). A reação eletroquímica no eletrodo negativo de uma bateria de lítio pode ser expressa pela seguinte fórmula:

Nesta fórmula, há um parâmetro que é, se os dois são resumidos, será produzido lítio dendrático. Aqui está um conceito que todos estão familiarizados, composto de intercalação de grafite. Os compostos interlaminar de grafite (GICs para abreviar) são compostos cristalinos que usam métodos físicos ou químicos para inserir reagentes não-carbono entre camadas de grafite e combinar com o plano de rede hexagonal de carbono, mantendo a estrutura de grafite em camadas.

Características:

O lítio dendrite é geralmente depositado na posição de contato entre o separador e o eletrodo negativo. Os alunos que têm experiência em desmontar baterias devem muitas vezes encontrar uma camada de material cinza no separador. Sim, é precipitação de lítio. O lítio dendrite é um metal de lítio formado após íons de lítio receberem elétrons, e o metal de lítio não pode mais formar íons de lítio para participar das reações de carga e descarga da bateria, resultando em uma diminuição na capacidade da bateria. O lítio dendrita cresce a partir da superfície do eletrodo negativo em direção ao separador. Se o metal de lítio for continuamente depositado, ele eventualmente perfurará o separador e causará um curto-circuito na bateria, causando problemas de segurança da bateria.

Fatores de influência:

Os principais fatores que afetam a formação de lítio dendrático são: a rugosidade da superfície eletrodo negativa, o gradiente de concentração de íons de lítio, a densidade atual, etc. Além disso, o filme SEI, o tipo de eletrólito, a concentração de soluto e a distância efetiva entre os eletrodos positivos e negativos afetam o dendrático A formação do lítio tem certa influência.

1. Rugosidade superficial do eletrodo negativo

A rugosidade superficial do eletrodo negativo afeta a formação de lítio dendrático. Quanto mais áspera a superfície, mais propícia à formação de lítio dendrático. A formação de lítio dendrático envolve eletroquímica, cristalografia, termodinâmica e cinética. David R. Ely Há uma descrição detalhada no artigo.

2. Gradiente e distribuição da concentração de íons de lítio

Depois que os íons de lítio são extraídos do material eletrodo positivo, eles passam pelo eletrólito e pelo separador e aceitam elétrons no eletrodo negativo. Durante o processo de carga, a concentração de íons de lítio do eletrodo positivo aumenta gradualmente, e a concentração de íons de lítio do eletrodo negativo diminui devido à aceitação contínua dos elétrons. Em uma solução diluída com alta densidade atual, a concentração de íons se tornará 0. Com base nisso, Fleury et al. O modelo estabelecido com Chazalviel mostra que quando a concentração de íons é reduzida a 0, o eletrodo negativo formará uma carga espacial local e formará uma estrutura dendrítica. A taxa de crescimento da estrutura dendrítica é a mesma da taxa de migração de íons no eletrólito.

3. Densidade atual

No artigo Dendrite Growth in Lithium/Polymer Systems, o autor acredita que a taxa de crescimento da ponta do lítio dendrático está intimamente relacionada à densidade atual, como mostra a seguinte fórmula:

Se a densidade atual for reduzida, o crescimento do lítio dendrático pode ser adiado até certo ponto, como mostra a figura abaixo:

Como evitar:

O mecanismo de formação do lítio dendrático ainda é claro, mas há muitos modelos de crescimento do metal de lítio. De acordo com a formação de lítio dendrático e fatores influenciadores, a formação de lítio dendrático pode ser evitada a partir dos seguintes aspectos:

1). Controle o achatamento da superfície do material eletrodo negativo.

2). O tamanho das partículas de eletrodos negativos deve ser menor do que o raio termodinâmico crítico.

3). Regular a capacidade de aquítula dos eletrodepositos.

4). Limitar o potencial de chapeamento abaixo do valor crítico. Além disso, o mecanismo tradicional de carregamento e descarga pode ser melhorado. Por exemplo, o método de pulso pode ser considerado.

5). Adicione aditivos eletrólitos que estabilizam a interface eletrodo-eletrólito negativo

6). Substitua o eletrólito líquido por gel/eletrólito sólido de alta resistência

7). Estabeleça uma camada protetora da superfície do ânodo de lítio de alta resistência

Por fim, deixe duas perguntas no final do artigo para todos discutirem:

1). Onde ocorre a reação eletroquímica do íon de lítio? Uma delas é a transferência de massa em fase sólida após a reação eletroquímica dos íons de lítio na superfície do grafite atingir a saturação. A segunda é que os íons de lítio migram para as camadas de grafite através dos limites de grãos dos cristais de grafite, e reagem dentro do grafite.

2). A reação entre íons de lítio e grafite forma compostos carbono-lítio e lítio dendráticos ocorre simultaneamente ou sequencialmente?