मुख्य तंत्र और लिथियम आयन बैटरी नकारात्मक इलेक्ट्रोड के प्रतिसाद का प्रतिकार

नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षीणन तंत्र की अनुसंधान प्रगति:

लिथियम आयन बैटरी में कार्बन सामग्री, विशेष रूप से ग्रेफाइट सामग्री, सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली एनोड सामग्री हैं। यद्यपि अन्य नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री, जैसे मिश्र धातु सामग्री, हार्ड कार्बन सामग्री आदि का भी बड़े पैमाने पर अध्ययन किया जा रहा है, अनुसंधान मुख्य रूप से सक्रिय सामग्री के आकारिकी नियंत्रण और प्रदर्शन में सुधार पर केंद्रित है, और इसकी क्षमता के तंत्र का बहुत कम विश्लेषण है। क्षय। इसलिए, नकारात्मक इलेक्ट्रोड के क्षीणन तंत्र पर अधिकांश शोध ग्रेफाइट सामग्री के क्षीणन तंत्र के बारे में है। बैटरी क्षमता के क्षीणन में भंडारण और उपयोग के दौरान क्षीणन शामिल है। भंडारण के दौरान क्षीणता आमतौर पर विद्युत रासायनिक प्रदर्शन मापदंडों (प्रतिबाधा, आदि) में परिवर्तन से संबंधित है। विद्युत रासायनिक प्रदर्शन में परिवर्तन के अलावा, यह संरचना और लिथियम विकास जैसे यांत्रिक तनाव में परिवर्तन के साथ भी है। और अन्य घटनाएं।

1.1 नकारात्मक इलेक्ट्रोड / इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस का परिवर्तन

लिथियम-आयन बैटरी के लिए, इलेक्ट्रोड / इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस के परिवर्तन को नकारात्मक इलेक्ट्रोड के क्षीणन के मुख्य कारणों में से एक माना जाता है। लिथियम बैटरी की प्रारंभिक चार्जिंग के दौरान, स्थिर सुरक्षात्मक पैशन फिल्म (शॉर्ट के लिए एसईआई फिल्म) बनाने के लिए नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर इलेक्ट्रोलाइट कम हो जाता है। लिथियम आयन बैटरी के बाद के भंडारण और उपयोग के दौरान, नकारात्मक इलेक्ट्रोड / इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस बदल सकता है, जिससे इसके प्रदर्शन में गिरावट आ सकती है।

1.1.1 एसईआई फिल्म की मोटाई / संरचना में परिवर्तन

उपयोग के दौरान बैटरी के शक्ति प्रदर्शन में क्रमिक कमी मुख्य रूप से इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा में वृद्धि से संबंधित है। इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा में वृद्धि मुख्य रूप से एसईआई फिल्म की मोटाई और संरचना और संरचना में परिवर्तन के कारण होती है।

लक्षण वर्णन विधियों और परीक्षण स्थितियों में अंतर और सीमाओं के कारण, विभिन्न शोध संस्थानों के परिणाम समान नहीं हैं, इसलिए एसईआई फिल्म की विशिष्ट संरचना को निर्धारित करना मुश्किल है। पिछली रिपोर्टों के अनुसार, एसईआई फिल्म की संरचना में मुख्य रूप से अकार्बनिक (Li2CO3, LiF) और कार्बनिक [(CH2OCO2Li) 2, ROCO2Li, ROLi] दो प्रकार के यौगिक शामिल हैं। उपयोग या भंडारण के दौरान, एसईआई फिल्म की संरचना और मोटाई स्थिर नहीं है।

चूंकि एसईआई झिल्ली में एक वास्तविक ठोस इलेक्ट्रोलाइट का कार्य नहीं होता है, इसलिए सॉल्व किए गए लिथियम आयन अभी भी अन्य पिंजरों, आयनों, अशुद्धियों और इलेक्ट्रोलाइट सॉल्वैंट्स के माध्यम से एसईआई झिल्ली से पलायन कर सकते हैं। इसलिए, लंबी अवधि के साइकिल या भंडारण की बाद की अवधि में, इलेक्ट्रोलाइट अभी भी नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर विघटित और प्रतिक्रिया करेगा, जिसके परिणामस्वरूप एसईआई फिल्म को मोटा होना होगा। उसी समय, क्योंकि चक्र के दौरान नकारात्मक इलेक्ट्रोड विस्तार और संकुचन की स्थिति में रहा है, सतह एसईआई फिल्म टूट जाएगी, एक नया इंटरफ़ेस बनाएगी, और नया इंटरफ़ेस विलायक के अणुओं और लिथियम आयनों के साथ प्रतिक्रिया करना जारी रखेगा एक SEI फिल्म बनाते हैं। उपर्युक्त सतह की प्रतिक्रिया की प्रगति के साथ, नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर एक इलेक्ट्रोकेमिकली अक्रिय सतह परत का गठन किया जाता है, ताकि नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री का हिस्सा अलग हो जाए और पूरे इलेक्ट्रोड से निष्क्रिय हो जाए। क्षमता का नुकसान होता है। जैसा कि चित्रा 1 में दिखाया गया है, लंबे समय तक साइकिल चलाने के बाद, नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर एसईआई फिल्म काफी मोटी होती है।

चित्रा 1. लंबी अवधि के साइकिल चलाने के बाद नकारात्मक इलेक्ट्रोड सतह के इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ को स्कैन करना

एसईआई फिल्म की संरचना थर्मोडायनामिक रूप से अस्थिर है, और विघटन और पुनर्विकास के गतिशील परिवर्तन बैटरी सिस्टम में लगातार होंगे। एसईआई फिल्म कुछ स्थितियों (उच्च तापमान, एचएफ, फिल्म में धातु की अशुद्धता, आदि) के तहत फिल्म के विघटन और पुनर्जनन को तेज करेगी, जिससे बैटरी की क्षमता का नुकसान होगा। विशेष रूप से उच्च तापमान की स्थिति के तहत, एसईआई फिल्म में कार्बनिक घटक (लिथियम अल्काइल कार्बोनेट, आदि) को अधिक स्थिर अकार्बनिक घटकों (Li2CO3, LiF) में परिवर्तित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप SEI फिल्म की आयनिक चालकता में कमी आती है। धनात्मक इलेक्ट्रोड से निकले धातु आयन इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से नकारात्मक इलेक्ट्रोड में फैल जाते हैं, और नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर कम और जमा होते हैं। मौलिक धातु जमा इलेक्ट्रोलाइट के अपघटन को उत्प्रेरित करता है, जो नकारात्मक इलेक्ट्रोड के प्रतिरोध को बढ़ाता है और अंततः बैटरी क्षमता के क्षीणन की ओर जाता है। एसईआई फिल्म की स्थिरता में सुधार के लिए उच्च तापमान योजक या नए लिथियम लवण को जोड़कर, नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की सेवा जीवन को लम्बा किया जा सकता है, और प्रदर्शन में सुधार किया जा सकता है।

अध्ययनों में पाया गया है कि विभिन्न प्रकार की ग्रेफाइट सामग्री का भंडारण प्रदर्शन अलग-अलग होता है, और उच्च तापमान पर कृत्रिम ग्रेफाइट का भंडारण प्रदर्शन प्राकृतिक ग्रेफाइट की तुलना में बेहतर होता है। भंडारण समय की वृद्धि के साथ। कृत्रिम ग्रेफाइट में लिथियम सामग्री मूल रूप से स्थिर है, लेकिन प्राकृतिक ग्रेफाइट में लिथियम सामग्री एक रैखिक गिरावट को दर्शाती है। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) और फूरियर के माध्यम से अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटीआईआर) परीक्षण के परिणाम विश्लेषण का विश्लेषण करते हैं, उच्च तापमान भंडारण के दौरान, प्राकृतिक ग्रेफाइट की सतह पर Li2CO3 और LiOCOOR की सामग्री भंडारण समय के विस्तार के साथ काफी बढ़ जाती है। एसईआई फिल्म की मोटाई में वृद्धि मुख्य रूप से नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर इलेक्ट्रोलाइट की पक्ष प्रतिक्रिया के कारण होती है। कृत्रिम ग्रेफाइट की सतह संरचना और एसईआई फिल्म की आकृति विज्ञान मूल रूप से अपरिवर्तित हैं।

इसके अलावा, जब पूरी तरह से चार्ज किया जाता है और 40 ℃ से कम की स्थिति के तहत एक निश्चित अवधि के लिए संग्रहीत किया जाता है, हालांकि उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र के साथ नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री में उच्च स्व-निर्वहन दर होती है, प्रति इकाई एसईआई फिल्म की वृद्धि दर। विभिन्न प्रकार की नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री का क्षेत्र समान है। क्षय की प्रवृत्ति समान है। हालांकि, उच्च तापमान (60 डिग्री सेल्सियस) पर, समान विशिष्ट सतह क्षेत्र के साथ प्राकृतिक ग्रेफाइट एसईआई फिल्म की मोटाई दर कृत्रिम ग्रेफाइट की तुलना में काफी अधिक है।

1.1.2 इलेक्ट्रोलाइट का अपघटन और जमाव

इलेक्ट्रोलाइट कटौती में विलायक की कमी, इलेक्ट्रोलाइट की कमी और अशुद्धता की कमी शामिल हैं। इलेक्ट्रोलाइट में असमानताओं में आमतौर पर ऑक्सीजन, पानी और कार्बन डाइऑक्साइड शामिल होते हैं। बैटरी की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रोलाइट नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर विघटित हो जाता है, और इसके मुख्य उत्पादों में लिथियम कार्बोनेट और फ्लोराइड शामिल हैं। जैसे-जैसे चक्रों की संख्या बढ़ती है, अपघटन के उत्पाद धीरे-धीरे बढ़ते हैं। ये उत्पाद नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह को कवर करते हैं और लिथियम आयनों के निर्बाधकरण में बाधा डालते हैं, जिसके परिणामस्वरूप नकारात्मक इलेक्ट्रोड के प्रतिबाधा में वृद्धि होती है।

1.1.3 लिथियम विश्लेषण

चूंकि ग्रेफाइट सामग्री की अंतःक्षेपण क्षमता लिथियम क्षमता के करीब होती है, एक बार चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान धातु लिथियम या लिथियम डेंड्राइट्स का विकास होता है, तो इलेक्ट्रोलाइट के साथ लिथियम की बाद की प्रतिक्रिया बैटरी प्रदर्शन के क्षरण में तेजी लाएगी, और बड़े क्षेत्र का लिथियम विकास बैटरी के आंतरिक शॉर्ट सर्किट और थर्मल पलायन की घटना का कारण होगा। कम तापमान चार्ज, सकारात्मक इलेक्ट्रोड के सापेक्ष बैटरी के नकारात्मक इलेक्ट्रोड की कम अतिरिक्त, बेमेल इलेक्ट्रोड आकार (सकारात्मक इलेक्ट्रोड के किनारे नकारात्मक इलेक्ट्रोड को कवर करता है), और संभावित प्रभाव (विभिन्न स्थानीय ध्रुवीकरण डिग्री, इलेक्ट्रोड मोटाई और porosity प्रभाव) ) सभी लिथियम विकास के जोखिम को बढ़ाते हैं।

ग्रेफाइट सामग्री के भीतर विकार की डिग्री और वर्तमान वितरण की असमानता नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर लिथियम विकास को प्रभावित करेगी। ग्रेफाइट लिथियम सम्मिलन के तीसरे और चौथे चरण में, सामग्री का विकार इलेक्ट्रोड में चार्ज के असमान वितरण का कारण बनता है, जिसके परिणामस्वरूप वृक्ष के समान जमा का उत्पादन होता है। विभाजक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच जमा की वृद्धि तापमान और वर्तमान घनत्व से निकटता से संबंधित है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, चार्जिंग दर बढ़ जाती है और प्रतिक्रिया दर तेज हो जाती है, और धात्विक लिथियम नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर जमा हो जाता है। बैटरी डिस्चार्ज कर्व में वोल्टेज पठार और कूलम्ब दक्षता में कमी का उपयोग यह निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है कि बैटरी में लिथियम विकास है या नहीं।

वर्तमान अनुसंधान मुख्य रूप से नकारात्मक इलेक्ट्रोड सिस्टम में सुधार के पहलुओं से नकारात्मक इलेक्ट्रोड के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए है और नकारात्मक इलेक्ट्रोड में लिथियम विकास को बाधित करने के लिए एडिटिव्स युक्त इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम का अनुकूलन करता है। ग्रेफाइट सतह पर कोटिंग एसएन और कार्बन नकारात्मक इलेक्ट्रोड के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन को बेहतर बनाता है। ग्रेफाइट सतह पर एसईआई एसईआई फिल्म के आंतरिक प्रतिरोध और कम तापमान पर इलेक्ट्रोड ध्रुवीकरण को कम कर सकता है। इसके अलावा, नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की सतह में सुधार करके प्रदर्शन को भी बेहतर किया जा सकता है। हवा में ग्रेफाइटिंग के ऑक्सीकरण से सतह क्षेत्र और किनारे सक्रिय स्थलों को बढ़ाया जा सकता है, छिद्रों को बढ़ाया जा सकता है और कण आकार को कम किया जा सकता है, जिससे असमान चार्ज वितरण के कारण लिथियम विकास की घटना को कम किया जा सकता है। AsF6 उच्च तापमान पर नकारात्मक इलेक्ट्रोड की स्थिरता में सुधार कर सकता है, धातु लिथियम के उत्पादन और LiPF6 के अपघटन को रोक सकता है। इसके अलावा, नकारात्मक ध्रुव टुकड़े की तैयारी के चरण में यांत्रिक रोलिंग, छिद्र के आकार को कम कर सकता है, चार्ज वितरण की असमानता को कम कर सकता है, और बैटरी की प्रतिवर्ती क्षमता को बढ़ा सकता है।

1.2 नकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री में परिवर्तन

बैटरी के प्रदर्शन की क्रमिक गिरावट की प्रक्रिया में, ग्रेफाइट की क्रमबद्ध संरचना धीरे-धीरे नष्ट हो जाती है। लिथियम बैटरी को उच्च दरों पर साइकिल दी जाती है। लिथियम आयन एकाग्रता के ढाल के कारण, सामग्री के अंदर एक यांत्रिक तनाव क्षेत्र उत्पन्न होता है, जो नकारात्मक इलेक्ट्रोड जाली को बदल देता है, और नकारात्मक इलेक्ट्रोड की प्रारंभिक शीट संरचना धीरे-धीरे अव्यवस्थित हो जाती है। बैटरी के प्रदर्शन के बिगड़ने के लिए संरचनात्मक परिवर्तन मुख्य कारण नहीं हैं। लिथियम विकास या एसईआई फिल्म में परिवर्तन के रूप में गिरावट को व्यक्त किया जा सकता है, लेकिन इस प्रक्रिया के दौरान, नकारात्मक इलेक्ट्रोड के कण आकार और जाली निरंतर महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलेगी।

ग्रेफाइट कणों की प्रतिवर्ती क्षमता उनके अभिविन्यास और प्रकार से संबंधित है। उदाहरण के लिए, अव्यवस्थित कणों के बीच एक नए इंटरफ़ेस की उपस्थिति के कारण लिथियम आयन / इलेक्ट्रोलाइट प्रतिक्रिया हो सकती है, लिथियम आयनों का सम्मिलन अधिक कठिन है, और अव्यवस्थित ग्रेफाइट कणों की प्रतिवर्ती क्षमता कम है। गोलाकार कणों की तुलना में, फ्लेक ग्रेफाइट में उच्च आवर्धन की उच्च विशिष्ट क्षमता होती है। हालांकि क्षय प्रक्रिया के दौरान नकारात्मक इलेक्ट्रोड की संरचना नहीं बदलती है, rhomboid संरचना / हेक्सागोनल संरचना का अनुपात बदल जाएगा। हेक्सागोनल संरचना के बढ़ने से लिथियम आयन सम्मिलन के पहले और तीसरे चरण की फैराडे दक्षता कम हो जाएगी, जिससे नकारात्मक इलेक्ट्रोड की प्रतिवर्ती क्षमता कम हो जाएगी। इसलिए, प्रतिवर्ती क्षमता को rhombic संरचना / हेक्सागोनल संरचना के अनुपात में वृद्धि करके बढ़ाया जा सकता है।

1.3 नकारात्मक इलेक्ट्रोड में परिवर्तन

ग्रेफाइट सामग्री के कण आकार का नकारात्मक इलेक्ट्रोड के प्रदर्शन पर अधिक प्रभाव पड़ता है। छोटे कण सामग्री ग्रेफाइट सामग्री के बीच प्रसार मार्ग को छोटा कर सकते हैं, जो उच्च दर चार्ज और निर्वहन के लिए अनुकूल है। हालांकि, छोटे कण आकार की सामग्री का एक बड़ा विशिष्ट सतह क्षेत्र है, और उच्च तापमान पर अधिक लिथियम आयनों का उपभोग करेगा, जिसके परिणामस्वरूप नकारात्मक इलेक्ट्रोड की अपरिवर्तनीय क्षमता में वृद्धि होगी। इसलिए, ग्रेफाइट एनोड की थर्मल स्थिरता मुख्य रूप से ग्रेफाइट सामग्री के कण आकार से संबंधित है।

ग्रेफाइट पोल के टुकड़े के छिद्र का नकारात्मक इलेक्ट्रोड की प्रतिवर्ती क्षमता के साथ एक निश्चित संबंध है। जैसे-जैसे पोरसिटी बढ़ती है, ग्रेफाइट और इलेक्ट्रोलाइट के बीच संपर्क क्षेत्र बढ़ता है, और इंटरफ़ेस प्रतिक्रिया बढ़ जाती है, जिसके परिणामस्वरूप प्रतिवर्ती क्षमता में कमी आती है। बैटरी के दीर्घकालिक प्रभार और निर्वहन के दौरान, ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड का संघनन घनत्व बैटरी के प्रदर्शन के क्षरण को प्रभावित करता है। उच्च संघनन घनत्व इलेक्ट्रोड की छिद्रता को कम कर सकता है, ग्रेफाइट और इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क क्षेत्र को कम कर सकता है, और फिर प्रतिवर्ती क्षमता बढ़ा सकता है। इसके अलावा, 120 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर, गैस के उत्पादन के लिए एसईआई फिल्म के थर्मल अपघटन के कारण, कॉम्पैक्ट नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री अधिक गर्मी उत्पन्न करेगी।

निष्कर्ष के तौर पर:

लिथियम आयन बैटरी के नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षय में कई क्षरण तंत्र शामिल हैं। उनमें से, लिथियम मुख्य कारक है जो बैटरी जीवन के तेजी से क्षरण के लिए अग्रणी है। नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर इलेक्ट्रोलाइट और बाद में फिल्म निर्माण के अपघटन से बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि होती है और पुनरावर्तनीय लिथियम की मात्रा में कमी होती है। उपरोक्त तंत्र नकारात्मक इलेक्ट्रोड की क्रिस्टल संरचना पर बहुत कम प्रभाव डालता है। इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम के अनुकूलन, स्टेबलाइजर्स और तापमान उपचार को जोड़ने जैसे उपाय इन प्रतिक्रियाओं की घटना को कम कर सकते हैं और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं।