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Índice de densidad del litio en pedazos de poste de la batería de litio
- Oct 12, 2018 -

Los materiales positivos y negativos son desorbidos o incrustados en los iones de litio durante la carga y descarga. La distribución de la concentración de litio está directamente relacionada con el estado de carga del material y está estrechamente relacionada con la tensión y la presión cuando el volumen del material de electrodo se expande o se contrae. En el pedazo de poste litio ion batería, si sabes la distribución de litio, usted puede obtener mucha información de la reacción de electrodo, comprender la carga de proceso y explicar el mecanismo de falla de batería.

Cómo funcionan las baterías de iones de litio:

(1) en el momento de carga: Li es deintercalated de un material del cátodo (por ejemplo, un material LiCoO 2) y un electrolito se intercala en un material de ánodo (por ejemplo, un material de grafito), mientras que una cantidad igual de electrones entre el material del ánodo en un camino opuesto al en el momento de la descarga.

(2) durante la descarga: Li + es deintercalated del material del ánodo (electrodo negativo) y electrolito está incrustado en el material del cátodo (electrodo positivo), mientras que una cantidad igual de electrones flujo hacia fuera del material del ánodo, a través de la corriente colector del colector actual del electrodo negativo, el circuito externo y el electrodo positivo. El material del cátodo se introduce para provocar reacciones de oxidación y reducción de lo positivo y negativo electrodos, respectivamente.

La diferencia entre los procesos de carga y descarga es que cuando la carga, los electrones no se mueven espontáneamente en el circuito externo, y la fuente de alimentación debe ser aplicada.

Electroquímico simulación para predecir la distribución de la concentración de litio

El modelo de (P2D) pseudo-two-dimensional electroquímico de la batería de iones de litio se basa en la teoría de electrodo poroso y concentra las teoría de la solución. Como se muestra en la figura 1, se considera el proceso de reacción química real dentro de la batería, incluyendo el proceso de difusión de la fase sólida, fase líquida difusión andMigration proceso, proceso de transferencia, proceso potencial de equilibrio de fase sólido-líquido. La ecuación de Butler-Volmer se utiliza para describir la reacción electroquímica en cada electrodo y el proceso de inclusión y deintercalation superficie. Segunda ley de difusión de Fick se utiliza para describir el proceso de difusión de iones de litio dentro de la partícula. Varias ecuaciones en derivadas parciales que describe la reacción de proceso y las condiciones de contorno correspondientes constituyen un modelo. Las curvas de carga y descarga de las características externas de la célula de reacción se pueden obtener en un tiempo corto de cálculo, y también se puede obtener la fase sólida de los materiales positivos y negativos en el proceso interno. Detalles como la distribución de concentración y distribución potencial de la fase sólida, así como distribución de concentración de fase líquida y fase sólida distribución potencial del electrólito, tienen las ventajas de la exactitud, amplitud, y basado en el mecanismo.

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Fig.1 pseudo electroquímico bidimensional (P2D) modelo de batería de ion de litio

Se extiende el modelo bidimensional de pseudo. Cuando el modelo geométrico adopta una estructura tridimensional, la distribución del litio en el material del electrodo se puede calcular en detalle. Como se muestra en la figura 2, el electrodo de Cobaltato de litio tiene una distribución de la concentración de litio en diferentes estado SOC de la carga. Ver local desigualdad en la distribución del litio.

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Figura 2 resultados de la simulación de la distribución de concentración de litio de electrodo Cobaltato de litio

Detección en línea de difracción de neutrones de la distribución de concentración de litio

La distribución de la concentración de litio predicha por electroquímica simulación puede explicar muchos problemas, pero esto no es el resultado de una medición verdadera y es una asunción ideal para el proceso de electrodo de litio las baterías de iones. La técnica de difracción de neutrones es una técnica de análisis de materiales utilizando diferentes materiales para las tasas de oclusión diferente de radiación de neutrón. Radiación de neutrón tiene energía penetrante fuerte, la longitud de dispersión es independiente del número atómico Z y es sensible a la luz de átomos. Por lo tanto, neutrones son muy sensibles a los átomos de litio y níquel manganeso cobalto metal de la transición átomos en materiales de batería de ion de litio. El análisis in situ de la distribución de Li dentro de la batería de ion litio se llevó a cabo sin destruir la estructura de la batería de litio.

Owejan et al usaron el dispositivo mostrado en la figura 3 para montar un electrodo negativo de grafito y una placa de litio en una semipila. El proceso de transmisión y distribución del litio en el pedazo de poste de grafito fueron detectados en línea por fotografía de neutrones. La viga de neutrón penetra el PTFE encapsula el material y la sección transversal de la pieza de poste de la batería es reflejada, y la distribución del litio en la sección del electrodo directamente se detecta. La capa unilateral de la pieza Polo tiene un ancho de 5 mm y una longitud de la superficie de detección de 15 mm, como se muestra en la figura 4a. Luego, a través del análisis teórico, establecen una relación directa entre la intensidad del espectro de neutrones y la concentración de litio, por lo que puede medirse directamente cuantitativamente la distribución de la concentración de litio en el pedazo de poste.

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Figura 3 es un dispositivo de construcción de batería de litio para la detección en línea alta resolución neutrón

Figura 4 es un diagrama que muestra la distribución de litio incrustado en las hojas del electrodo durante la primera descarga de las hojas del electrodo de grafito. 4A es una vista esquemática de una muestra de la pieza de poste y su superficie detección, FIG. 4b es un mapa de la distribución de la concentración de litio correspondiente a horarios de descarga diverso y FIG. 4 c es un proceso de evolución potencial de la batería en el momento correspondiente. La concentración de litio del electrodo y su distribución se corresponden bien con el potencial del electrodo. Asimismo, FIG. 5 es una distribución de la concentración del litio de la hoja de electrodos de grafito durante el primer cargo de litio y un potencial en el momento correspondiente.

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La figura 4 muestra la distribución de la concentración del litio de la sección del electrodo durante el primer proceso de inserción de litio de grafito, (a) un diagrama de la foto, (b) la distribución del litio en momentos diferentes de la descarga y (c) la evolución de la tensión de la batería. (ampliación C/9)

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Figura 5 distribución de la concentración de litio durante el primer delithation de grafito, (a) distribución de la concentración de litio en diferentes tiempos de carga y evolución (b) voltaje de la batería (ampliación C/9)

Los patrones de la viga de neutrón de figuras 4 y 5 permiten el análisis cuantitativo de litio concentraciones del ion. Durante el proceso de carga/descarga, aunque el aumento es pequeño (C/9), todavía es posible observar la desigual distribución de litio cerca el colector actual y los dos lados del separador. El análisis cuantitativo de esta diferencia se muestra en la figura 6. La concentración de litio junto al lado del separador es mayor que el lado del colector, y como la cantidad de litio intercalación aumenta, aumenta la diferencia.

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Figura 6. Diferencia en la concentración de litio incrustado en el diafragma y colector de la pieza Polo durante la descarga

Además, los autores presten atención a la concentración de iones de litio que quede en el pedazo de poste por el electrodo de litio se intercala con litio, como se muestra en la figura 7, esta parte de litio provoca pérdida de la capacidad y es irreversible. En los cuatro primeros ciclos de carga/descarga del electrodo de grafito, la cantidad de litio en el electrodo de grafito es como se muestra en la figura 8. La pérdida irreversible de litio ocurre principalmente en el primer ciclo, y en los ciclos posteriores, la cantidad de litio residual apenas cambia.
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Figura 7 los primeros 4 ciclos de capacidad de la descarga y la capacidad residual del litio

Con el desarrollo de la tecnología experimental, los investigadores siguen desarrollar la tecnología de detección on-line para estudiar el mecanismo de las baterías de iones de litio. Además de la detección en línea de vigas de neutrón, hay muchas tecnologías como la detección on-line del espectro de Raman y detección en línea de rayos x.

 

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