Vergleich von Schritt-für-Schritt-Mischprozess und einmaligem Mischprozess

Im Hinblick auf die Aufbereitungsmethode der Lithium-Batterie-Gülle haben die Forscher verschiedene Auflöseprozesse ausprobiert. Tests haben gezeigt, dass der Auflöseprozess der schrittweisen Fütterung dem einmaligen Auflöseprozess weit überlegen ist. In diesem Beitrag wird ein detaillierter Vergleich zwischen dem Split-Step-Auflöseprozess und dem einmaligen Auflöseprozess erstellt. Die beiden Auflöseprozesse sind in Abbildung 1 dargestellt. a) ist der einmalige Auflöseprozess; b) der schrittweise Auflöseprozess.

Abbildung 1. Zwei verschiedene Mischprozesse

Der einmalige Mischprozess besteht darin, binder und NMP zu mischen und eine halbe Stunde umrühren und dann das aktive Material und den leitfähigen Ruß gleichzeitig zum Mischen in das Lösungsmittel einzutragen. Charakteristisch für das mehrstufige Mischen ist, dass die Menge des Lösungsmittels in Chargen zugesetzt wird. Ein-Zeit-Mischprozess und mehrstufiger Mischprozess haben nicht nur einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Gülle, wie Viskosität, dynamische viskoelastische Modulund und stabile Fließeigenschaften, sondern auch Auswirkungen auf die Impedanz, Zyklusleistung und Rateleistung der Batterie.

1. Der Zusammenhang zwischen Gülleviskosität, Schergeschwindigkeit und Fließfähigkeit

Abbildung 2 zeigt die Beziehungskurve zwischen Viskosität und Scherrate. Es kann beobachtet werden, dass unabhängig davon, ob die einstufige oder Schritt-für-Schritt-Methode angenommen wird, die Viskosität der Gülle abnimmt, wenn die Scherrate steigt (Scherdünnung). Die Viskosität der Gülle unter niedriger Scherung ist ein Maß für das Sedimentationsverhalten fester Partikel, und die Viskosität unter hoher Scherung ist ein Maß für die Verarbeitbarkeit der Gülle. Bei niedriger Scherung ist die höhere Viskosität der beiden Schlämme besser, da sich die Feststoffpartikel nicht signifikant absetzen. Unter hoher Scherung ist auch die niedrige Viskosität der Gülle ein gutes Merkmal, da die Gülle gleichmäßig vermischt wird.

Auch wenn die beiden Vorbereitungsprozesse scheren, ist die mehrstufige Mischmethode natürlich immer noch besser als die einstufige Synthesemethode. Die Viskoelastizität der beiden Arten von Gülleänderungen mit Winkelfrequenz ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Die Beziehung zwischen Winkelrate und Speichermodul und Verlustmodul

Aus der Abbildung können wir sehen, dass die Viskoelastizität der Gülle, die durch die einstufige Methode hergestellt wird, nicht mit der Winkelfrequenz zusammenhängt, während der viskoelastische Modul des Gülle, der durch die mehrstufige Methode hergestellt wird, mit der Winkelfrequenz zusammenhängt. Zweitens, in der Abbildung, G'ist der Speichermodul und G'is der Verlustmodul. Es kann gesehen werden, dass der Speichermodul in der einstufigen Methode immer höher ist als der Verlustmodul, während die mehrstufige Gülle genau das Gegenteil ist. Es kann gesehen werden, dass die mit der einstufigen Methode hergestellte Gülle hauptsächlich im Gelzustand ist und die Partikel zu einer volumengefüllten Netzwerkstruktur agglomerieren. Die Partikelhaufen werden nicht zerstört oder aufgebrochen und immer mit geringer Scherrate gemischt, und der Mischeffekt wird nicht erreicht. Die mit der mehrstufigen Methode hergestellte Gülle ist im Wesentlichen ein Niedrigviskositäts-Sol, die Partikeleinheiten sind gleichmäßig verteilt und die Netzwerkstruktur vollständig zerstört und verteilt. Die stufenweise Gülle befindet sich in einem guten Dispersionszustand und weist eine gute Strömungshysterese auf, die durch die im Diagramm dargestellte Hysterese-Flusskurve (Fluidität) dargestellt werden kann. Abbildung 4 zeigt die Beziehung zwischen der Scherrate und der Scherkraft, wenn die Scherrate zuerst zunimmt und dann abnimmt. Es kann gesehen werden, dass die mehrstufige Gülle eine Hystereseschleife hat.

Abbildung 4. Schergeschwindigkeit und Scherkraft

Im Vergleich zum einstufigen Mischprozess wird im mehrstufigen Mischprozess die irreversible Netzwerkstruktur der Partikelcluster häufiger gebrochen. Dies liegt daran, dass das Lösungsmittel NMP mehrmals zugegeben wird, und das Lösungsmittel ist weniger im Anfangszustand, und die Partikel sind eher unter hoher Scherrate gebrochen. Da die einstufige Mischung darin besteht, das Lösungsmittel gleichzeitig einzugießen, wird die Gesamtviskosität schnell reduziert, und die Reibung zwischen den Partikeln ist sehr klein, so dass kein guter Dispersionszustand erreicht werden kann.

2. Der Einfluss zweier unterschiedlicher Mischprozesse auf das Polstück

Die von den beiden Prozessen vorbereiteten Schlämme werden zu Elektroden präpariert, und der Anfang des Unterschieds ist aus den Querschnittsbildern der beiden Polstücke zu sehen, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5. SEM- und EDS-Analyse von Polstück

(a) Einstufiger Querschnitt (e) Mehrstufiger Querschnitt, man kann sehen, dass nach der mehrstufigen Gülle das Polstück vorbereitet, der Partikelkontakt näher und der Mischzustand besser ist.

Die Abbildungen b) und f) sind die EDS Co-Elementdiagramme der Polstücke der beiden Arten von Auflöseprozessen. Das Co-Element wird aus Lithium-Kobaltoxid abgeleitet, das die bessere Misch- und Dispersionswirkung der mehrstufigen Methode überprüfen kann.

Die Abbildungen c) und (g) sind die Abbildung des C-Elements des Polstücks der beiden Größenarten. Das C-Element stammt hauptsächlich aus PVDF und leitfähigem Ruß;

Die Abbildungen d) und (h) sind die Kartierung des Fluorelements im Polstück der beiden Arten von Größenverfahren. Das F-Element stammt von PVDF

Die Ergebnisse mehrerer Fotosätze belegen auch, dass das leitfähige Mittel und das aktive Material in der einstufigen Gülle viele Agglomerate aufweisen und nicht gleichmäßig verteilt sind.

Drittens, die Auswirkungen des Mischprozesses auf die Batterieleistung

1. Zyklusleistung

Die Zyklusleistung der Batterie, die von den beiden Schlämmen vorbereitet wird, ist in Abbildung 6 dargestellt. Nach 70 Zyklen beträgt die Kapazität des einstufigen und split-step Mischprozesses 60% bzw. 70% der Anfangskapazität. Die Kapazität zerfällt schneller. Der Grund kann durch die Änderung des internen Widerstands der Batterie in der einstufigen Methode verursacht werden.

Abbildung 6. Vergleich der Batteriezyklusleistung

2. Der Innenwiderstand der Batterie wechselt mit DOD

Das Experiment verwendet HPPC, um den internen Widerstand der Batterie zu testen, und das Ergebnis ist in Abbildung 7 dargestellt. Folgende Schlussfolgerungen lassen sich ziehen: a. Der Innenwiderstand der Batterie während der Entladung ist größer als der Innenwiderstand der Ladung. Dies liegt daran, dass die Rate des Einsetzens von Lithium-Ionen in das Festgitter langsamer ist als die Rate der Extraktion von Lithium-Ionen. B. Der Innenwiderstand der Batterie mit der mehrstufigen Methode und dem Gülleverfahren ist niedriger als der der einstufigen Methode in jeder Phase und unter jeder DOD-Bedingung. C. Der Innenwiderstand der Batterie und die Entladungstiefe (D0D) sind eng miteinander verbunden. Mit zunehmender Entladungstiefe wird der Platz für einzubettende Lithium-Ionen immer geringer, wodurch die Batterieimpedanz entsprechend zunimmt.

Abbildung 7. Das Verhältnis zwischen dem Auf- und Entladen der beiden Batterien und dem

3. Der Einfluss zweier Mischprozesse auf die Batterierateleistung

Um den Innenwiderstand der beiden Polstückbatterien zu vergleichen, werden die entsprechenden Batterien mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entladen. Die Entladekurve ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8. Vergleich von Batterieratenleistung und Polarisation

Unter ihnen ist eine einstufige Batterie, und b ist eine mehrstufige Batterie. Beide Batterien werden mit konstantem Strom bei 0,2C geladen. Abbildung a zeigt, dass mit zunehmendem Entladungsstrom die Batteriepolarisation weiter zunimmt. Im Gegensatz zur mehrstufigen Batterieentladungskurve nimmt die Batteriepolarisation zwar bis zu einem gewissen Grad zu, die Polarisation ist im Vergleich zu Abbildung a relativ gering. Der Grund für dieses Phänomen ist auf den Aufbereitungsprozess der Gülle zurückzuführen. Wie bereits erwähnt, kann der mehrstufige Mischprozess die gleichmäßige Dispersion des leitfähigen Mittels und des Wirkstoffs gewährleisten und ein stabiles und gleichmäßiges leitfähiges Netzwerk bilden. Dadurch wird der Kontaktwiderstand zwischen dem aktiven Material und dem leitfähigen Mittel stark reduziert, um die hervorragende Zyklusleistung der Batterie zu gewährleisten.

Schlussfolgerung:

Auch wenn der endgültige Feststoffgehalt der beiden unterschiedlichen Mischprozesse gleich ist, sind die rheologischen Eigenschaften der Gülle immer noch unterschiedlich. Das Produkt des einstufigen Mischprozesses ist gelartig, und die Pulvereinheiten sind innerhalb der volumengefüllten Netzwerkstruktur verbunden, so dass es feste Eigenschaften geben und mit einer höheren Viskosität einhergeht. Das im mehrstufigen Mischverfahren hergestellte Produkt ist ein niedrigviskoser Sol, und die Partikeleinheiten werden miteinander dispergiert. Denn in der Anfangsphase hat das Gemisch einen geringeren Lösungsmittelgehalt, die Partikel stehen in engem Kontakt und die Kollisionswahrscheinlichkeit ist viel höher als die einstufige Güllemethode. Daher hilft der geringere Flüssigkeitsgehalt, die Partikelagglomerate zu brechen und zu zerstreuen. Die gleichmäßige Streuung des aktiven Materials des leitfähigen Mittels zeigt, dass die Batterie eine geringere Polarisation und eine bessere Zyklusleistung und Eine bessere Rateleistung aufweist.