Aufbringen einer Keramikbeschichtung in einer Lithiumbatterie

Lithium-Ionen-Batterien bieten herausragende Vorteile wie Hochspannung, hohe Kapazität, geringe Größe, geringes Gewicht, Umweltschutz und lange Lebensdauer. Sie sind in verschiedenen tragbaren elektronischen Produkten und Elektrofahrzeugen weit verbreitet. Es gibt jedoch immer noch bestimmte Probleme bei der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere ihre Sicherheitsprobleme unter Bedingungen wie hoher Temperatur, Überladung und Kurzschluss, die zu technischen Problemen geworden sind, die bei Lithium-Ionen-Batterien vom Leistungstyp überwunden werden müssen werden in großem Maßstab angewendet.

Gegenwärtig verwenden viele Hersteller von Lithiumbatterien Keramikpulver, um negative Polstücke oder Keramikabscheider und andere Materialien zu beschichten, die mit&"Keramikpulver GG" zusammenhängen. zur Verbesserung der Sicherheit von Lithiumbatterien. Tatsächlich ist Keramikpulver kein&"Keramik-GG", sondern Aluminiumoxidteilchen in Nanogröße. Nano-Aluminiumoxid ist eines der speziellen funktionellen Nano-Materialien mit wichtigem Anwendungswert und Entwicklungsperspektiven. Es hat eine Reihe hervorragender Eigenschaften wie hohe thermische Stabilität, chemische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und hohe Härte. Es ist weit verbreitet in keramischen und biologischen Materialien. Medizinische Materialien, Halbleitermaterialien, Katalysatorträger, Oberflächenschutzschichtmaterialien und optische Materialien. Gerade wegen der guten thermischen Stabilität wird Nanoaluminiumoxid als gutes Wärmedämmstoff angesehen und soll einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien leisten.

Gegenwärtig wird Nanoaluminiumoxid hauptsächlich zum Beschichten von Elektroden oder Membranen verwendet, um die Sicherheit der Membran zu verbessern und die interne Kurzschlussrate zu verringern.

1. Anodenkeramikbeschichtung

Gegenwärtig wird Keramikpulver im Allgemeinen mit CMC gemischt und in entionisiertem Wasser gelöst, um eine Aufschlämmung zu bilden. Die Aufschlämmung wird dann auf das Polstück aufgetragen, und der Zustand des Polstücks unter REM nach dem Trocknen ist in Fig. 1 gezeigt. In den Bildern (a) und (b) in Fig. 1 ist es offensichtlich, dass die Keramikbeschichtung gleichmäßig ist verteilt auf der Oberfläche der negativen Elektrode in Form von Partikeln. Die Wirkung der Keramikbeschichtung auf die Leistung von Lithiumbatterien ist wie folgt:

Figure 1. REM von zwei Arten von nicht umgewälzten negativen Polstücken

1. Die Keramikbeschichtung hat keinen offensichtlichen Einfluss auf die Kapazität der Lithiumbatterie.

2. Das Hinzufügen von Keramikpulver erhöht den Innenwiderstand der Lithiumbatterie. Dies liegt daran, dass der Hauptbestandteil der Keramikbeschichtung Al2O3 ist, das nicht leitend ist. Das Beschichten der Oberfläche des negativen Elektrodenmaterials mit Keramik behindert den Weg der Elektronen zur negativen Elektrode, so dass der Körperwiderstand der Batterie zunimmt.

3. Die Zyklusleistung der Keramikbeschichtungsbatterie ist besser als die der Batterie ohne Keramikbeschichtung. Zusätzlich kann durch Beschichten der Oberfläche der negativen Elektrode mit Keramikpulver, durch Erhöhen des Passivierungseffekts der negativen Elektrodenoberfläche und Verbessern der elektronischen Isolierung die Verschlechterung der elektrischen Leistung der Batterie unter Hochtemperaturspeicherbedingungen wirksam unterdrückt werden. Die REM-Analyse der Batteriepolstücke nach dem Zyklus ist in der Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. REM des negativen Polstücks nach zwei Zyklen

Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Oberfläche der nicht mit Keramik beschichteten negativen Elektrode mit einer Schicht feiner Partikel bedeckt ist, von der angenommen wird, dass sie eine Verbindung ist, die durch Lithiumabscheidung während des Lade- und Entladevorgangs gebildet wird, während die Oberfläche der Die keramikbeschichtete negative Elektrode ist relativ glatt und keramisch gleichmäßig auf der Oberfläche des Polschuhs verteilt. Es kann spekuliert werden, dass die Zyklusleistung der Batterie mit der Keramikbeschichtung zusammenhängt. Während des Zyklus der Batterie wächst der negative SEI-Film und wird dicker. Ein zu dicker SEI-Film verbraucht nicht nur mehr Lithiumionen, sondern verursacht auch Lithium während des Ladens. Ionen können nicht gut in die negative Elektrode eingebettet werden, sondern fallen auf der Oberfläche der negativen Elektrode oder sogar auf der Oberfläche des Separators aus, was zu einem Kapazitätsverlust während des Zyklus führt. Das Beschichten einer Schicht eines Keramikseparators auf der Oberfläche der negativen Elektrode kann möglicherweise das Wachstum des SEI-Films der negativen Elektrode wirksam blockieren, wodurch der Verlust von Lithiumionen während des Zyklus verringert wird. Außerdem zersetzt sich der Elektrolyt während des Batteriezyklus weiter, und die Keramikbeschichtung weist eine bestimmte Flüssigkeitsabsorptionskapazität auf, die die Kapazitätsretentionsrate des Elektrolyten während langfristiger Lade- und Entladezyklen verbessern kann. Daher kann die Keramikbeschichtung die Zyklusleistung der ternären Lithium-Ionen-Batterie verbessern.

4. Die Sicherheit von keramikbeschichteten Batterien ist höher als die von nicht keramikbeschichteten Batterien. Zwei verschiedene Batterien wurden Akupunkturexperimenten unter den gleichen Versuchsbedingungen unterzogen, und die Ergebnisse sind in 3 gezeigt.

Abbildung 3. Akupunkturergebnisse von zwei Batterien

Aus 3 ist ersichtlich, dass die Spitzentemperatur der Akupunktur der keramikbeschichteten Batterie 123,1 ° C beträgt. Nach dem Test ist die Batterie ohne Rauch oder Explosion leicht angeschwollen. Die Spitzentemperatur der nicht keramikbeschichteten Batterie beträgt 410 ° C. Während des Tests explodierte die Batterie und rauchte, die obere Abdeckung war zerbrochen und der Test schlug fehl. Der Grund für das obige Phänomen kann mit der Keramikbeschichtung auf der Oberfläche der negativen Elektrode zusammenhängen. Da das Nadelstanzen einen Kurzschluss in der Batterie simuliert, wird in kurzer Zeit eine große Wärmemenge erzeugt, und die Keramikbeschichtung auf der negativen Elektrodenoberfläche kann den Wärmeverlust während des Nadelstanzvorgangs verzögern. Erhöhen Sie sich stark, wodurch die thermische Zersetzung des Elektrolyten verzögert wird und die Explosion der Batterie aufgrund einer großen Menge an Gas, die in kurzer Zeit erzeugt wird, vermieden wird. Daher verbessert die Keramikbeschichtung die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien erheblich.

2. Keramikmembran

Derzeit verbessern Forscher die Batterieleistung hauptsächlich in Bezug auf positive und negative Materialien, Separatoren, Elektrolyte und Batteriedesign. Unter diesen sind Keramikabscheider ein wirksamer Weg, um die Batterieleistung zu verbessern. Keramikabscheider können nicht nur die Batteriesicherheit verbessern, sondern auch die Leistung des Batteriezyklus verbessern und die Selbstentladungsrate verringern. Es gibt verschiedene Herstellungsverfahren für Keramikmembranen, wie chemische Gasphasenabscheidung und Oberflächenbeschichtung. Keramikmembran kann den Zyklus und die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien verbessern, aber ihr Herstellungsprozess ist schwer zu kontrollieren, und die Keramik auf der Membran neigt auch dazu, während des Zyklus herunterzufallen.

1. Morphologische Unterschiede

Auf dem Markt gebräuchliche Membranen bestehen aus PP, PE oder zwei Arten der Verbundverarbeitung. Obwohl diese mikroporösen Polyolefinabscheider eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und chemische Stabilität aufweisen, weisen diese Abscheider während des Herstellungsprozesses eine innere Spannung auf, und die Spannung wird in einer Umgebung mit hoher Temperatur freigesetzt, und der Abscheider hat einen offensichtlichen thermischen Schrumpfeffekt, der die positiven und negativen Auswirkungen hat Elektroden im Inneren der Batterie Der direkte Kontakt des Materials verursacht einen internen Kurzschluss und ein Sicherheitsfehler tritt auf. Das Beschichten von Nanoaluminiumoxidpartikeln auf der Oberfläche des Separators kann die Sicherheit von Lithiumbatterien wirksam verbessern. Nach dem Auflösen und Mischen des Keramikpulvers mit PVDF und NMP und dem gleichmäßigen Dispergieren wird die Beschichtungsmaschine eingeschaltet, um das Keramikpulver auf die PE-Membran aufzutragen. Die Dicke der Keramikbeschichtung kann gesteuert werden, und dann wird die Keramikmembran durch 24-stündiges Trocknen bei 80 ° C hergestellt. Die Mikromorphologie der Keramikmembran ist in Abbildung 4 dargestellt.

Figure 4. Mikromorphologie von PE und Keramikmembran

Aus der Figur ist ersichtlich, dass die beschichteten Nano-A2O3-Partikel die Oberfläche der PE-Membran vollständig bedecken und es eine ungleichmäßige Verteilung großer Hohlräume zwischen den Partikeln gibt. Das Vorhandensein dieser großen Hohlräume kann das Einsetzen und Extrahieren von Li + erleichtern und es hat eine gute Flüssigkeitsabsorptions- und Flüssigkeitsretentionsleistung für den Elektrolyten, so dass es die Lade- und Entladeleistung der Lithiumbatterie nach dem nicht beeinträchtigt Beschichtung ist beschichtet.

2. Grad der Wärmeschrumpfung

Die Keramikbeschichtung ist hilfreich, um die Hochtemperaturbeständigkeit der Membran zu verbessern. Legen Sie die Keramikmembran und die normale Membran 2 Stunden lang bei unterschiedlichen Temperaturen in eine Schachtel. Es gibt einen großen Unterschied in der Schrumpfung zwischen den beiden Arten von Membranen. Die experimentellen Ergebnisse sind in 5 gezeigt.

Abbildung 5. Zwei Grad Schrumpfung der Membran bei unterschiedlichen Temperaturen

Das Diaphragma schrumpft bei hoher Temperatur, da das Diaphragma während des Vorbereitungsprozesses aufgrund von Traktion und Dehnung innere Spannungen aufweist. In einer Umgebung mit hohen Temperaturen bewirkt die Bewegung der inneren Molekülkette des Diaphragmas, dass die Spannung gelöst wird und großflächig schrumpft. Die Keramikbeschichtungsmembran schrumpft jedoch bei 140 ° C. Die Morphologie der Membran selbst hat sich bis auf die Änderung der Farbe der Membran unter den Backbedingungen von ℃ nicht geändert. Wenn die auf beiden Seiten der Membranoberfläche beschichteten anorganischen Beschichtungen eine hohe Temperaturbeständigkeit und Wärmeisolationsleistung aufweisen, wird die Temperatur der Basismembran selbst verringert, so dass die Membran eine hohe Temperatur aufweist. Die ursprüngliche Form bleibt in der Umgebung.

3. Die Keramikmembran trägt zur Verbesserung der Batteriesicherheit bei

Abbildung 6. Die Beziehung zwischen dem Innenwiderstand und der Temperatur der Batterie, die mit zwei Arten von Membranen zusammengebaut wurde

Der PE-Abscheider schrumpft großflächig, wenn die Temperatur über seinem Schmelzpunkt liegt, so dass die positiven und negativen Polstücke in der Batterie direkt in Kontakt kommen und einen internen Kurzschluss verursachen. Daher nimmt der gemessene Innenwiderstand der Batterie schnell ab; Für den beschichteten Separator ändert sich jedoch auch bei 150 die Morphologie des Separators selbst nicht, wenn er bei ℃ gebrannt wird, so dass es keinen Kurzschluss innerhalb der Batterie gibt, wodurch der Innenwiderstand der Batterie immer noch zunimmt. Der PE-Abscheider verliert seine mechanische Stabilität in Umgebungen mit hohen Temperaturen, was zum direkten Kontakt zwischen der positiven und der negativen Elektrode im Inneren der Batterie führt und einen Kurzschluss verursacht. Der Keramikbeschichtungsabscheider hat eine hohe Temperaturbeständigkeit, um einen Kurzschluss innerhalb der Batterie wirksam zu verhindern und die Sicherheitsleistung der Batterie zu verbessern.

4. Der Einfluss der Keramikmembran auf die Batterielebensdauer

Der Lithium-Ionen-Batterietrenner isoliert nicht nur die positiven und negativen Polstücke in der Batterie, sondern muss auch eine gute Ionenpermeabilität aufweisen. Weil die anorganische Beschichtung des Separators die Dicke des Separators erhöht, was die Ionenleitfähigkeit beeinträchtigen kann. Das Experiment zeigt jedoch (Abbildung 7), dass sein Einfluss schwächer ist, die Membran mit Keramikbeschichtung jedoch eine bessere Zyklusleistung aufweist.

Abbildung 7. Vergleich der Zyklusleistung von zwei Arten von Membranbatterien

PP / PE-Separatoren sind unpolar mit hydrophober Oberfläche und geringer Oberflächenenergie. Es ist schwierig, polare organische Elektrolyte wie Ethylencarbonat und Propylencarbonat zu benetzen und zu halten, was sich direkt auf die Zyklusleistung und die Verwendung der Batterie auswirkt. Während die Oberfläche anorganischer Keramiken aufgrund des Vorhandenseins von Hydroxylgruppen hydrophil ist, kann ihre Einführung die Benetzungs- und Retentionsfähigkeit der Membran oder Elektrode gegenüber dem Elektrolyten erheblich verbessern und die Zyklusleistung der Batterie erheblich verbessern. Gleichzeitig haben die Nano-Aluminiumoxid-Partikel eine große spezifische Oberfläche, was die Benetzbarkeit und Flüssigkeitsretention des Elektrolyten an den Polstücken verbessern kann und auch die Lebensdauer der Batterie fördert.

um zusammenzufassen:

Zusammenfassend haben Keramikbeschichtungen einen wichtigen Einfluss auf die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere auf die Sicherheitsleistung von Lithium-Batterien. Die Keramisierung der Elektroden- und Membranoberfläche kann nicht nur die interne Kurzschlussrate der Batterie erheblich verringern und die Sicherheit verbessern, sondern auch die Elektrolytbenetzbarkeit der Elektrode und der Membran verbessern, die Polarisation verringern und die Gesamtleistung der Batterie verbessern. Daher ist das Aufbringen von Keramikbeschichtungen ein unvermeidlicher Trend bei der zukünftigen Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien.