लिथियम बैटरी में सिरेमिक कोटिंग का अनुप्रयोग
Aug 24, 2020
लिथियम-आयन बैटरी में उच्च वोल्टेज, उच्च क्षमता, छोटे आकार, हल्के वजन, पर्यावरण संरक्षण और लंबे जीवन जैसे उत्कृष्ट फायदे हैं। उनका उपयोग विभिन्न पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों और इलेक्ट्रिक वाहनों में व्यापक रूप से किया गया है। हालांकि, लिथियम-आयन बैटरी की सुरक्षा में अभी भी कुछ समस्याएं हैं, विशेष रूप से उच्च तापमान, ओवरचार्ज और शॉर्ट सर्किट जैसी परिस्थितियों में उनकी सुरक्षा समस्याएं हैं, जो तकनीकी समस्याएं बन गई हैं जिन्हें बिजली-प्रकार लिथियम-आयन बैटरी से दूर किया जाना चाहिए बड़े पैमाने पर लागू होते हैं।
वर्तमान में, कई लिथियम बैटरी निर्माता नेगेटिव पोल के टुकड़ों या सिरेमिक विभाजकों और जीजी से संबंधित अन्य सामग्रियों को कोट करने के लिए सिरेमिक पाउडर का उपयोग करते हैं; सिरेमिक पाउडर- जीजी कोट; लिथियम बैटरी की सुरक्षा में सुधार करने के लिए। वास्तव में, सिरेमिक पाउडर जीजी उद्धरण नहीं है; सिरेमिक जीजी उद्धरण ;, लेकिन नैनो-आकार के एल्यूमिना कण। नैनो एल्यूमिना महत्वपूर्ण अनुप्रयोग मूल्य और विकास संभावनाओं के साथ विशेष कार्यात्मक नैनो सामग्रियों में से एक है। इसमें उच्च तापीय स्थिरता, रासायनिक स्थिरता, संक्षारण प्रतिरोध और उच्च कठोरता जैसी उत्कृष्ट विशेषताओं की एक श्रृंखला है। यह व्यापक रूप से सिरेमिक सामग्री और जैविक सामग्री में उपयोग किया जाता है। चिकित्सा सामग्री, अर्धचालक सामग्री, उत्प्रेरक वाहक, सतह संरक्षण परत सामग्री और ऑप्टिकल सामग्री। यह इतनी अच्छी थर्मल स्थिरता के कारण ठीक है कि नैनो-एल्यूमिना को एक अच्छा थर्मल इन्सुलेशन सामग्री माना जाता है और लिथियम-आयन बैटरी के सुरक्षा प्रदर्शन में सुधार के लिए एक महत्वपूर्ण योगदान देने की उम्मीद है।
वर्तमान में, नैनो-एल्यूमिना का उपयोग मुख्य रूप से डायपर की सुरक्षा में सुधार और आंतरिक शॉर्ट सर्किट दर को कम करने के लिए इलेक्ट्रोड या डायाफ्राम को कोट करने के लिए किया जाता है।
1. एनोड सिरेमिक कोटिंग
वर्तमान में, सिरेमिक पाउडर को आमतौर पर सीएमसी के साथ मिश्रित किया जाता है और घोल बनाने के लिए विआयनीकृत पानी में भंग कर दिया जाता है। घोल को फिर पोल के टुकड़े पर लेपित किया जाता है, और एसईएम के तहत पोल के टुकड़े की स्थिति को सुखाने के बाद चित्र 1 में दिखाया गया है। चित्र 1 में चित्रों (ए) और (बी) में, यह स्पष्ट है कि सिरेमिक कोटिंग समान रूप से है कणों के रूप में नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर वितरित किया जाता है। लिथियम बैटरी के प्रदर्शन पर सिरेमिक कोटिंग का प्रभाव निम्नानुसार है:
चित्रा 1. असंतृप्त नकारात्मक ध्रुव के टुकड़ों के दो प्रकार के SEM
1. लिथियम बैटरी की क्षमता पर सिरेमिक कोटिंग का कोई स्पष्ट प्रभाव नहीं है;
2. सिरेमिक पाउडर जोड़ने से लिथियम बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि होगी। ऐसा इसलिए है क्योंकि सिरेमिक कोटिंग का मुख्य घटक Al2O3 है, जो गैर-प्रवाहकीय है। नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की सतह पर कोटिंग सिरेमिक नकारात्मक इलेक्ट्रोड के लिए इलेक्ट्रॉनों के मार्ग में बाधा होगी, इसलिए बैटरी के शरीर के प्रतिरोध में वृद्धि होगी;
3. सिरेमिक कोटिंग बैटरी का चक्र प्रदर्शन सिरेमिक कोटिंग के बिना बैटरी की तुलना में बेहतर है। इसके अलावा, नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर सिरेमिक पाउडर को कोटिंग करके, नकारात्मक इलेक्ट्रोड सतह के पैशन प्रभाव को बढ़ाकर और इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेशन को बढ़ाकर, उच्च तापमान भंडारण की स्थिति के तहत बैटरी के विद्युत प्रदर्शन की गिरावट को प्रभावी ढंग से दबाया जा सकता है। साइकलिंग के बाद बैटरी पोल के टुकड़ों का SEM विश्लेषण दिखाया गया आंकड़ा 2 में दिखाया गया है।
चित्रा 2. दो चक्रों के बाद नकारात्मक ध्रुव का टुकड़ा
यह आंकड़ा से देखा जा सकता है कि गैर-सिरेमिक लेपित नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह को ठीक कणों की एक परत के साथ कवर किया जाता है, जिसे चार्ज और डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान लिथियम जमाव द्वारा गठित एक यौगिक माना जाता है, जबकि सतह सिरेमिक कोटेड नेगेटिव इलेक्ट्रोड अपेक्षाकृत चिकना होता है और सिरेमिक को समान रूप से पोल पीस की सतह पर वितरित किया जाता है। यह अनुमान लगाया जा सकता है कि बैटरी का चक्र प्रदर्शन सिरेमिक कोटिंग से संबंधित है। बैटरी के चक्र के दौरान, नकारात्मक एसईआई फिल्म बढ़ेगी और मोटी हो जाएगी। एक अत्यधिक मोटी SEI फिल्म न केवल अधिक लिथियम आयनों का उपभोग करेगी, बल्कि चार्जिंग के दौरान लिथियम का कारण बन सकती है। आयनों को नकारात्मक इलेक्ट्रोड में अच्छी तरह से नहीं लगाया जा सकता है, लेकिन नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर या यहां तक कि विभाजक की सतह पर अवक्षेपित होता है, जिसके परिणामस्वरूप चक्र के दौरान क्षमता का नुकसान होता है। नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर सिरेमिक विभाजक की एक परत को कोटिंग करना नकारात्मक इलेक्ट्रोड एसईआई फिल्म के विकास को प्रभावी ढंग से अवरुद्ध करने में सक्षम हो सकता है, जिससे चक्र के दौरान लिथियम आयनों के नुकसान को कम किया जा सकता है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइट बैटरी चक्र के दौरान विघटित होना जारी रखेगा, और सिरेमिक कोटिंग में एक निश्चित तरल अवशोषण क्षमता होती है, जो दीर्घकालिक चार्ज और निर्वहन चक्र के दौरान इलेक्ट्रोलाइट की क्षमता प्रतिधारण दर में सुधार कर सकती है। इसलिए, सिरेमिक कोटिंग टर्नेरी लिथियम-आयन बैटरी के चक्र प्रदर्शन में सुधार कर सकती है।
4. सिरेमिक लेपित बैटरी की सुरक्षा गैर-सिरेमिक लेपित बैटरी की तुलना में अधिक है। दो अलग-अलग बैटरियों को एक ही प्रयोगात्मक परिस्थितियों में एक्यूपंक्चर प्रयोगों के अधीन किया गया था, और परिणाम चित्र 3 में दिखाए गए हैं।
चित्रा 3. दो बैटरी के एक्यूपंक्चर परिणाम
चित्रा 3 से यह देखा जा सकता है कि सिरेमिक-लेपित बैटरी के एक्यूपंक्चर का शिखर तापमान 123.1 ℃ है। परीक्षण के बाद, बैटरी धुएं या विस्फोट के बिना थोड़ी सूजन है; गैर-सिरेमिक-लेपित बैटरी का चरम तापमान 410 ℃ है। परीक्षण के दौरान, बैटरी में विस्फोट हो गया और धुँआ हो गया, शीर्ष आवरण टूट गया और परीक्षण विफल हो गया। उपरोक्त घटना का कारण नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर सिरेमिक कोटिंग से संबंधित हो सकता है। चूंकि सुई छिद्रण बैटरी में एक शॉर्ट सर्किट का अनुकरण करता है, इसलिए थोड़े समय में बड़ी मात्रा में गर्मी उत्पन्न होगी, और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सतह पर सिरेमिक कोटिंग सुई छिद्रण प्रक्रिया के दौरान गर्मी के नुकसान में देरी कर सकती है। तेजी से बढ़ाएं, जिससे इलेक्ट्रोलाइट के थर्मल अपघटन में देरी हो रही है, और कम समय में बड़ी मात्रा में गैस उत्पन्न होने के कारण बैटरी के विस्फोट से बचा जा सकता है। इसलिए, सिरेमिक कोटिंग लिथियम-आयन बैटरी के सुरक्षा प्रदर्शन में काफी सुधार करती है।
2. सिरेमिक डायाफ्राम
वर्तमान में, शोधकर्ता मुख्य रूप से सकारात्मक और नकारात्मक सामग्री, विभाजक, इलेक्ट्रोलाइट्स और बैटरी डिजाइन के मामले में बैटरी के प्रदर्शन में सुधार करते हैं। उनमें से, बैटरी के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए सिरेमिक विभाजक एक प्रभावी तरीका है। सिरेमिक विभाजक न केवल बैटरी सुरक्षा प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं, बल्कि बैटरी चक्र प्रदर्शन में भी सुधार कर सकते हैं और स्व-निर्वहन दर को कम कर सकते हैं। सिरेमिक डायाफ्राम के लिए विभिन्न निर्माण विधियां हैं, जैसे रासायनिक वाष्प जमाव और सतह कोटिंग। सिरेमिक डायाफ्राम लिथियम आयन बैटरी के चक्र और सुरक्षा प्रदर्शन में सुधार कर सकता है, लेकिन इसकी तैयारी प्रक्रिया को नियंत्रित करना मुश्किल है, और डायाफ्राम पर सिरेमिक भी चक्र के दौरान गिरने का खतरा है।
1. रूपात्मक अंतर
बाजार में आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले डायाफ्राम पीपी, पीई, या दो प्रकार के मिश्रित प्रसंस्करण से बने होते हैं। हालांकि इन माइक्रोप्रोसेस पॉलीओलफिन विभाजकों में उत्कृष्ट यांत्रिक शक्ति और रासायनिक स्थिरता है, इन विभाजकों में तैयारी प्रक्रिया के दौरान आंतरिक तनाव होता है, और तनाव उच्च तापमान वातावरण में जारी होता है, और विभाजक का स्पष्ट थर्मल संकोचन प्रभाव होगा, जो सकारात्मक और नकारात्मक बनाता है बैटरी के अंदर इलेक्ट्रोड सामग्री के सीधे संपर्क में आंतरिक शॉर्ट सर्किट का कारण बनता है और एक सुरक्षा विफलता होती है। विभाजक की सतह पर नैनो एल्युमिना कणों को कोटिंग करने से लिथियम बैटरी की सुरक्षा में प्रभावी सुधार हो सकता है। पीवीडीएफ और एनएमपी के साथ सिरेमिक पाउडर को भंग करने और मिश्रण करने और समान रूप से फैलाने के बाद, कोटिंग मशीन को पीई डायाफ्राम पर सिरेमिक पाउडर को कोट करने के लिए चालू किया जाता है। सिरेमिक कोटिंग की मोटाई को नियंत्रित किया जा सकता है, और फिर सिरेमिक डायाफ्राम को 24 घंटे के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर सुखाकर बनाया जाता है। सिरेमिक डायाफ्राम की सूक्ष्म आकृति विज्ञान चित्र 4 में दिखाया गया है।
चित्रा 4. पीई और सिरेमिक डायाफ्राम की सूक्ष्म आकृति विज्ञान
यह आंकड़ा से देखा जा सकता है कि लेपित नैनो-ए 2 ओ 3 कण पीई झिल्ली की सतह को पूरी तरह से कवर करते हैं, और कणों के बीच बड़े voids का असमान वितरण होता है। इन बड़े voids के अस्तित्व में Li + के सम्मिलन और निष्कर्षण की सुविधा हो सकती है और इसमें इलेक्ट्रोलाइट के लिए अच्छा तरल अवशोषण और तरल प्रतिधारण प्रदर्शन है, ताकि यह लिथियम बैटरी के बाद चार्ज और निर्वहन प्रदर्शन को प्रभावित न करें। कोटिंग लेपित है।
2. गर्मी संकोचन की डिग्री
डायाफ्राम के उच्च तापमान प्रतिरोध को बेहतर बनाने के लिए सिरेमिक कोटिंग सहायक है। सिरेमिक डायाफ्राम और साधारण डायाफ्राम को 2 घंटे के लिए अलग-अलग तापमान पर एक बॉक्स में रखें। दो प्रकार के डायाफ्राम के बीच संकोचन में एक बड़ा अंतर है। प्रयोगात्मक परिणाम चित्र 5 में दिखाए गए हैं।
चित्रा 5. विभिन्न तापमानों पर डायाफ्राम संकोचन के दो डिग्री
डायाफ्राम उच्च तापमान पर सिकुड़ता है क्योंकि तैयारी प्रक्रिया के दौरान कर्षण और खिंचाव के कारण डायाफ्राम में आंतरिक तनाव होता है। एक उच्च तापमान वातावरण में, डायाफ्राम की आंतरिक आणविक श्रृंखला के आंदोलन से तनाव जारी होता है और एक बड़े क्षेत्र में सिकुड़ जाता है; लेकिन सिरेमिक कोटिंग डायाफ्राम 140 पर सिकुड़ती है। डायाफ्राम की आकृति विज्ञान स्वयं ℃ के पाक स्थिति के तहत डायाफ्राम के रंग में परिवर्तन को छोड़कर नहीं बदला है। जब डायाफ्राम सतह के दोनों किनारों पर लेपित अकार्बनिक कोटिंग्स में उच्च तापमान प्रतिरोध और गर्मी इन्सुलेशन प्रदर्शन होता है, तो आधार डायाफ्राम का तापमान स्वयं कम हो जाता है, जिससे डायाफ्राम उच्च तापमान पर होता है। मूल रूप वातावरण में रहता है।
3. बैटरी सुरक्षा को बेहतर बनाने के लिए सिरेमिक डायाफ्राम फायदेमंद है
चित्र 6. बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध और तापमान के बीच संबंध दो प्रकार के डायाफ्राम के साथ इकट्ठे होते हैं
पीई विभाजक एक बड़े क्षेत्र में सिकुड़ जाता है जब तापमान इसके गलनांक से अधिक होता है, जिससे बैटरी के अंदर सकारात्मक और नकारात्मक ध्रुव टुकड़े सीधे संपर्क करते हैं और आंतरिक शॉर्ट सर्किट का कारण बनते हैं। इसलिए, मापा गया बैटरी का आंतरिक प्रतिरोध तेजी से घटता है; हालांकि, लेपित विभाजक के लिए 150 पर भी विभाजक की आकृति विज्ञान स्वयं ℃ में पके हुए नहीं बदलेगा, इसलिए बैटरी के अंदर कोई शॉर्ट सर्किट नहीं होगा, जिससे बैटरी का आंतरिक प्रतिरोध अभी भी बढ़ता है। पीई विभाजक उच्च तापमान वातावरण में अपनी यांत्रिक स्थिरता खो देगा, जिससे बैटरी के अंदर सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच सीधा संपर्क होगा और शॉर्ट सर्किट का कारण होगा। सिरेमिक कोटिंग विभाजक में बैटरी के अंदर शॉर्ट सर्किट को प्रभावी ढंग से रोकने और बैटरी के सुरक्षा प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए उच्च तापमान प्रतिरोध होता है।
4. बैटरी जीवन पर सिरेमिक डायाफ्राम का प्रभाव
लिथियम-आयन बैटरी विभाजक न केवल बैटरी के अंदर सकारात्मक और नकारात्मक ध्रुव के टुकड़े को अलग करता है, बल्कि अच्छा आयन पारगम्यता भी होना चाहिए। क्योंकि विभाजक पर अकार्बनिक कोटिंग से विभाजक की मोटाई बढ़ जाएगी, जो आयन चालकता को प्रभावित कर सकती है। लेकिन प्रयोग साबित होता है (चित्र 7) इसका प्रभाव कमजोर है, लेकिन सिरेमिक कोटिंग के साथ डायाफ्राम का बेहतर चक्र प्रदर्शन है।
चित्र 7. दो प्रकार के डायाफ्राम बैटरी के चक्र प्रदर्शन की तुलना
पीपी / पीई विभाजक गैर-ध्रुवीय हैं, हाइड्रोफोबिक सतह और कम सतह ऊर्जा के साथ। एथिलीन कार्बोनेट और प्रोपलीन कार्बोनेट जैसे ध्रुवीय कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स को गीला करना और बनाए रखना मुश्किल है, जो सीधे बैटरी के चक्र प्रदर्शन और उपयोग को प्रभावित करता है। जीवन, जबकि अकार्बनिक सिरेमिक की सतह हाइड्रॉक्सिल समूहों की उपस्थिति के कारण हाइड्रोफिलिक है, इसकी शुरूआत डायाफ्राम या इलेक्ट्रोड से इलेक्ट्रोलाइट की गीलीकरण और अवधारण क्षमता में सुधार कर सकती है, और बैटरी के चक्र प्रदर्शन में बहुत सुधार कर सकती है। इसी समय, नैनो-एल्यूमिना कणों में एक बड़ा विशिष्ट सतह क्षेत्र होता है, जो ध्रुवीय टुकड़ों को इलेक्ट्रोलाइट की wettability और तरल प्रतिधारण में सुधार कर सकता है, और बैटरी के चक्र जीवन के लिए भी अनुकूल है।
सारांश में:
सारांश में, सिरेमिक कोटिंग्स लिथियम-आयन बैटरी, विशेष रूप से लिथियम बैटरी के सुरक्षा प्रदर्शन के प्रदर्शन पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव डालती हैं। इलेक्ट्रोड और डायाफ्राम सतह के सिरेमिकाइजेशन से न केवल बैटरी की आंतरिक शॉर्ट-सर्किट दर को कम किया जा सकता है और सुरक्षा में सुधार हो सकता है, बल्कि इलेक्ट्रोड और डायाफ्राम की इलेक्ट्रोलाइट विटबिलिटी में सुधार, ध्रुवीकरण को कम कर सकता है और बैटरी के समग्र प्रदर्शन में सुधार कर सकता है। इसलिए, भविष्य में लिथियम आयन बैटरी के विकास में सिरेमिक कोटिंग्स का आवेदन एक अपरिहार्य प्रवृत्ति है।