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Índice de densidad de litio en piezas de poste de batería de litio
- Nov 10, 2018 -

Los materiales positivos y negativos son desorbidos o incrustados en 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 el esfuerzo y la tensión cuando el volumen del material del electrodo se expande o contrae. En la pieza de polo de la batería de ion litio, si conoce la distribución de litio , puede obtener mucha información sobre la reacción del electrodo, comprender el proceso de carga y descarga y explicar el mecanismo de falla de la batería.

Cómo funcionan las baterías de iones de litio:

(1) En el momento de la carga: Li está desintercalado de un material de cátodo (por ejemplo, un material de 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 ingrese el material del ánodo en un camino opuesto al del momento de la descarga.

(2) Durante la descarga: Li + se desintercala del material del ánodo (electrodo negativo), y el electrolito se incrusta en el material del cátodo (electrodo positivo), mientras que una cantidad igual de electrones fluye desde el material del ánodo, a través del colector de corriente el colector de corriente del electrodo negativo, el circuito externo y el electrodo positivo. El material del cátodo se introduce para provocar reacciones de oxidación y reducción de los electrodos positivo y negativo, respectivamente.

La diferencia entre los procesos de carga y descarga es que, al cargar, los electrones no pueden moverse espontáneamente en el circuito externo y se debe aplicar la fuente de alimentación.

Simulación electroquímica para predecir la distribución de la concentración de litio.

El modelo electroquímico pseudo-bidimensional (P2D) de la batería de iones de litio se basa en la teoría del electrodo poroso y la teoría de la solución concentrada. Como se muestra en la Figura 1, se considera el proceso de reacción química real dentro de la batería, incluido el proceso de difusión en fase sólida, la difusión en fase líquida y el proceso de migración, el proceso de transferencia, el proceso de equilibrio de potencial de fase sólido-líquido. La ecuación de Butler-Volmer se utiliza para describir la reacción electroquímica en cada electrodo y el proceso de incrustación y desintercalación de la superficie. La segunda ley de difusión de Fick se utiliza para describir el proceso de difusión de los iones de litio dentro de la partícula. Varias ecuaciones diferenciales parciales que describen el proceso de reacción y las condiciones de contorno correspondientes constituyen un modelo. Las curvas de carga y descarga de las características externas de la celda de reacción se pueden obtener en un corto tiempo de cálculo, y también se pueden obtener la fase sólida de los materiales positivos y negativos en el proceso interno. Detalles tales como la distribución de la concentración y la fase sólida. La distribución de potencial, así como la distribución de concentración de fase líquida y la distribución de potencial en fase sólida del electrolito, tienen las ventajas de precisión, amplitud y mecanismo.

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Fig. 1 Modelo pseudo bidimensional (P2D) electroquímico de batería de ión litio

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

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Figura 2 Resultados de simulación de la distribución de la concentración de litio del electrodo de litio cobalto

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

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

Owejan et al. usó el dispositivo que se muestra en la Figura 3 para ensamblar un electrodo negativo de grafito y una placa de litio en una media celda. El proceso de transmisión y la distribución de litio en la pieza polar de grafito se detectaron en línea mediante fotografía de neutrones. El haz de neutrones penetra en el material de encapsulación de PTFE, se toma una imagen de la sección transversal de la pieza de polo de la batería y se detecta directamente la distribución de litio en la sección transversal del electrodo. El revestimiento de una cara de la pieza polar tiene una anchura de 5 mm y una longitud de la superficie de detección de 15 mm, como se muestra en la Fig. 4a. Luego, a través del análisis teórico, establecen una relación directa entre la intensidad del espectro de neutrones y la concentración de litio, de modo que la distribución de la concentración de litio en la pieza polar puede medirse directamente de forma cuantitativa.

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

La Figura 4 es un diagrama que muestra la distribución de litio incrustado en las hojas de electrodos durante la primera descarga de las hojas de electrodos de grafito. La figura 4a es una vista esquemática de una muestra de pieza polar y su superficie de detección. 4b es un mapa de distribución de concentración de litio correspondiente a diferentes tiempos de descarga, y la FIG. 4c es un proceso de evolución potencial de la batería en un momento correspondiente. La concentración de litio del electrodo y su distribución corresponden bien al potencial del electrodo. Del mismo modo, la fig. 5 es una distribución de la concentración de litio de la hoja del electrodo de grafito durante la primera descarga de litio y un potencial en un momento correspondiente.

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

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Fig. 5 Distribución de la concentración de litio durante la primera eliminación de grafito, (a) distribución de la concentración de litio en diferentes tiempos de carga y (b) evolución de la tensión de la batería (aumento C / 9)

Los patrones de haz de neutrones de las Figuras 4 y 5 permiten el análisis cuantitativo de las concentraciones de ión litio. Durante el proceso de descarga / carga, aunque el aumento es pequeño (C / 9), todavía es posible observar la distribución desigual de litio cerca del colector de corriente y los dos lados del separador. El análisis cuantitativo de esta diferencia se muestra en la Fig. 6. La concentración de litio cerca del lado del separador es más alta que el lado del colector, y a medida que aumenta la cantidad de intercalación de litio, la diferencia aumenta.

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Figura 6. Diferencia en la concentración de litio incrustada en el diafragma y el lado del colector de la pieza polar durante la descarga

Además, los autores prestan atención a la concentración de ión litio que queda en la pieza polar después de que el electrodo de litio se intercala con el litio, como se muestra en la Fig. 7, esta parte del litio causa pérdida de capacidad y es una capacidad irreversible. En los primeros cuatro ciclos de descarga / carga del electrodo de grafito, la cantidad de litio que queda en el electrodo de grafito es como se muestra en la Fig. 8. La pérdida irreversible de litio se produce principalmente en el primer ciclo, y en los ciclos subsiguientes, la cantidad de El litio residual apenas cambia.
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Figura 7 Los primeros 4 ciclos de capacidad de descarga y la capacidad de litio residual

Con el desarrollo de la tecnología experimental, los investigadores continúan desarrollando tecnología de detección en línea para estudiar el mecanismo de las baterías de iones de litio. Además de la detección en línea de haces de neutrones, existen muchas tecnologías como la detección en línea de espectro Raman y la detección en línea de rayos X.


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