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正极片有缺陷就得废弃?不一定!
发布:haige__   时间:2018/10/30 23:33:55   阅读:607 
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文章亮点:
  • 评估了电极片缺陷对电池性能的影响;
  • 正极和负极之间的相互作用导致具有缺陷的电池性能下降;
  • 具有某些极片缺陷的电极可以重新用于低要求的用途,降低废品率并降低制造成本。
锂离子电池(LIB)已在便携式电子设备中成功商业化。但是电动汽车类的电池具有更严格的要求,特别是注重成本效益。美国能源部(DOE)最新的EV电池成本目标是80美元/千瓦时,到2020年可用能量密度为750 Wh/L,峰值功率密度为1500 W/L。这是一个非常激进的目标,因为目前电动汽车的电池成本约为245美元/千瓦时,能量密度约为285 Wh/L。目前越来越多的研究旨在降低LIB中材料的成本。但是,电池材料的任何变化都必须经过漫长的研发时间以确保安全性和高性能。因此,为了解决降低成本的迫切需求,人们需要降低制造成本以抵消高昂的材料成本。

先进的材料加工和材料处理技术,可以有效降低成本,但是在现有电池制造厂改变加工技术需要大量资金投入。电极涂层的缺陷是电极报废的主要原因之一,而电极的成本在生产中举足轻重。因此,在没有投资的情况下降低成本的另一种方法是改进质量控制措施以降低废品率。目前的质量控制仅以理想的电极涂层为标准,而不管缺陷的类型以及对电池性能影响如何,这可能会导致不必要的浪费。

深入解读

电极片的质量取决于均匀的厚度,孔隙率,材料分布(面积重量)和与集流体的粘合成都。这些特性的任何不均匀性都会导致缺陷的生成,造成电极局部衰退,容量和循环寿命降低。在本文中美国橡树岭国家实验室David L. Wood III教授评估了电极不均匀性(针孔,团聚和线缺陷)对锂离子电池(0.5 Ah LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2/graphite)的电化学行为的影响。并且作者使用软包电池进行测试,缓解了扣式电池中缺陷占电极面积过大造成偏差的影响。

实验中空白电池(正极无任何缺陷,作为对比参照)和正极中具有针孔的电池的放电容量几乎相互重叠,直到循环结束。但与空白相比,有针孔电极表现出较低的能量效率(88.88%),空白为89.34%。具有团聚电极的电池最初具有比空白电池更低的可逆容量,但是它们的长期容量保持异常稳定。

1X线缺陷与3X线缺陷相比(3X线缺陷:3条宽度为1mm,间隔3mm的未涂布线;1X线缺陷:1条宽度为3mm的未涂布线;见图1),电池容量衰减从第一个循环到大约第50个循环衰减的更快。超过第50个周期,1X和3X线缺陷之间的容量衰减保持不变,但比空白电池相比要低得多。1X线缺陷的效率最低为86.47%,远低于空白89.34%。与缺陷相对的区域的吸光度介于未循环负极和循环负极的区域之间。在与缺陷相对的区域中增加的吸光度表明:循环过程中,正极缺陷处所对应负极SEI膜与其他区域相比更薄。具有正极线缺陷的电池测试表征表明,与缺陷相对的负极区域不参与电化学循环,而正极在缺陷附近局部过充电。

图1. 示意图显示在电极涂覆过程中形成诸如针孔或凹坑,附聚物或气泡和线缺陷或不均匀涂层的缺陷。该示意图解释了正极缺陷的影响,但负极缺陷也存在类似问题。

图2. 具有电极片缺陷的电池的电化学性能。(a)循环寿命图;(b)第1周期和(c)第500周期的的充电/放电曲线。(d)第1周期和(e)第500周期的差异容量曲线。

图3.(a, b)空白,(c, d)针孔,(e, f)附聚物,(g, h)1X线缺陷,(I, j)3X线缺陷的循环前后的正极图片

图4. 示意图显示了由于正极上存在线缺陷而中电极降解的机理

用这些含缺陷的极片制成的电池的电化学循环表明针孔和团聚不会导致容量的明显损失。然而,具有线缺陷形式的不均匀涂层的电池显示出严重的容量衰减。具有一个3mm线缺陷电极的后循环表征显示,在缺陷区域附近有显著的正极衰退迹象,这是这些电池中容量损失更高的主要原因。根据循环分析的结果,作者认为是源自缺陷附近的正极材料衰退是加速电池寿命降低的主要原因。作者还提出缺陷区域的初始尺寸影响正极材料在重复循环中衰退的速率。具有针孔,团聚和小线缺陷的电极可以被挽救,从而降低废品率并降低总体制造成本。这些电极可用于其他应用,如电网存储,其对功率和能量密度的需求不像汽车或电子行业那样严格。

知识拓展

三种缺陷的形成原因:

团聚:材料的团聚可能是由于混合不当引起的,这会产生较大的电极元件分离区域,,这导致局部阻抗上升和容量损失。

针孔:针孔是由于涂布过程中存在于浆料中的气泡形成。可能将集流体暴露于电解质。

线缺陷:当槽模涂布机中存在障碍物时,形成线缺陷。在电极上以线的形式形成未涂覆区域的区域。暴露区域的大小取决于障碍物的大小。

Lamuel David, Rose E. Ruther, Debasish Mohanty, Harry M. Meyer III, Yangping Sheng, Sergiy Kalnaus, Claus Daniel, David L. Wood III, Identifying degradation mechanisms in lithium-ion batteries with coating defects at the cathode, Applied Energy, 2018, DOI:10.1016/j.apenergy.2018.09.073

来源:能源学人
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