Penerapan lapisan keramik pada baterai lithium

Baterai lithium-ion memiliki keunggulan luar biasa seperti voltase tinggi, kapasitas tinggi, ukuran kecil, ringan, perlindungan lingkungan dan umur panjang. Mereka telah banyak digunakan di berbagai produk elektronik portabel dan kendaraan listrik. Namun demikian, masih terdapat permasalahan tertentu pada keamanan baterai lithium-ion, terutama masalah keamanan pada kondisi seperti suhu tinggi, overcharge, dan korsleting, yang menjadi masalah teknis yang harus segera diatasi saat baterai lithium-ion bertenaga listrik. diterapkan dalam skala besar.

Saat ini, banyak produsen baterai lithium menggunakan bubuk keramik untuk melapisi potongan kutub negatif atau pemisah keramik dan bahan lain yang terkait dengan" bubuk keramik" untuk meningkatkan keamanan baterai lithium. Faktanya, bubuk keramik bukanlah" keramik" ;, melainkan partikel alumina berukuran nano. Nano alumina adalah salah satu bahan nano fungsional khusus dengan nilai aplikasi penting dan prospek pengembangan. Ini memiliki serangkaian karakteristik yang sangat baik seperti stabilitas termal tinggi, stabilitas kimia, ketahanan korosi dan kekerasan tinggi. Ini banyak digunakan dalam bahan keramik dan bahan biologis. Bahan medis, bahan semikonduktor, pembawa katalis, bahan lapisan pelindung permukaan dan bahan optik. Justru karena kestabilan termal yang begitu baik, nano-alumina dianggap sebagai bahan insulasi termal yang baik dan diharapkan dapat memberikan kontribusi yang signifikan untuk meningkatkan kinerja keselamatan baterai lithium-ion.

Saat ini, nano-alumina terutama digunakan untuk melapisi elektroda atau diafragma untuk meningkatkan keamanan diafragma dan mengurangi laju hubung singkat internal.

1. Lapisan keramik anoda

Saat ini, bubuk keramik umumnya dicampur dengan CMC dan dilarutkan dalam air deionisasi untuk membentuk bubur. Bubur tersebut kemudian dilapisi pada potongan tiang, dan keadaan potongan tiang di bawah SEM setelah dikeringkan ditunjukkan pada Gambar 1. Pada gambar (a) dan (b) pada Gambar 1, terlihat jelas bahwa lapisan keramik seragam. didistribusikan di permukaan elektroda negatif dalam bentuk partikel. Pengaruh pelapisan keramik terhadap kinerja baterai litium adalah sebagai berikut:

Gambar 1. SEM dari dua jenis kutub negatif yang tidak bersirkulasi

1. Lapisan keramik tidak memiliki pengaruh yang jelas terhadap kapasitas baterai lithium;

2. Menambahkan bubuk keramik akan meningkatkan resistansi internal baterai litium. Hal ini dikarenakan komponen utama pelapis keramik adalah Al2O3 yang bersifat non konduktif. Pelapisan keramik pada permukaan bahan elektroda negatif akan menghalangi jalur elektron menuju elektroda negatif, sehingga daya tahan tubuh aki akan meningkat;

3. Kinerja siklus baterai pelapis keramik lebih baik daripada baterai tanpa lapisan keramik. Selain itu, dengan melapisi bubuk keramik pada permukaan elektroda negatif, dengan meningkatkan efek pasif dari permukaan elektroda negatif dan meningkatkan isolasi elektronik, penurunan kinerja kelistrikan baterai dalam kondisi penyimpanan suhu tinggi dapat ditekan secara efektif. Analisis SEM dari potongan tiang baterai setelah bersepeda ditunjukkan pada gambar 2 yang ditunjukkan.

Gambar 2. SEM potongan kutub negatif setelah dua siklus

Terlihat dari gambar bahwa permukaan elektroda negatif berlapis non keramik ditutupi dengan lapisan partikel halus, yang diduga merupakan senyawa yang terbentuk oleh pengendapan litium selama proses pengisian dan pelepasan, sedangkan permukaan elektroda elektroda negatif dilapisi keramik relatif halus dan keramik merata pada permukaan potongan tiang. Dapat berspekulasi bahwa kinerja siklus baterai terkait dengan lapisan keramik. Selama siklus baterai, film SEI negatif akan membesar dan menjadi lebih tebal. Film SEI yang terlalu tebal tidak hanya akan mengonsumsi lebih banyak ion litium, tetapi juga menyebabkan litium selama pengisian. Ion tidak dapat tertanam dengan baik di elektroda negatif, tetapi mengendap di permukaan elektroda negatif atau bahkan di permukaan pemisah, mengakibatkan hilangnya kapasitas selama siklus. Melapisi lapisan pemisah keramik pada permukaan elektroda negatif mungkin dapat secara efektif memblokir pertumbuhan film SEI elektroda negatif, sehingga mengurangi hilangnya ion litium selama siklus. Selain itu, elektrolit akan terus membusuk selama siklus baterai, dan lapisan keramik memiliki kapasitas penyerapan cairan tertentu, yang dapat meningkatkan tingkat retensi kapasitas elektrolit selama siklus pengisian dan pengosongan jangka panjang. Oleh karena itu, lapisan keramik dapat meningkatkan kinerja siklus baterai lithium-ion terner.

4. Keamanan baterai berlapis keramik lebih tinggi daripada baterai berlapis keramik. Dua baterai yang berbeda menjadi sasaran percobaan akupunktur di bawah kondisi percobaan yang sama, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Hasil akupunktur dua baterai

Dapat dilihat dari Gambar 3 bahwa suhu puncak akupunktur baterai berlapis keramik adalah 123,1 ℃. Setelah pengujian, baterai sedikit bengkak tanpa asap atau ledakan; suhu puncak baterai yang tidak dilapisi keramik adalah 410 ℃. Selama pengujian, baterai meledak dan mengeluarkan asap, penutup atas rusak, dan pengujian gagal. Alasan fenomena di atas mungkin terkait dengan lapisan keramik pada permukaan elektroda negatif. Karena penusukan jarum menyimulasikan korsleting pada baterai, sejumlah besar panas akan dihasilkan dalam waktu singkat, dan lapisan keramik pada permukaan elektroda negatif dapat menunda kehilangan panas selama proses pelubangan jarum. Meningkat dengan tajam, sehingga menunda dekomposisi termal elektrolit, dan menghindari ledakan baterai karena sejumlah besar gas yang dihasilkan dalam waktu singkat. Oleh karena itu, lapisan keramik secara signifikan meningkatkan kinerja keselamatan baterai lithium-ion.

2. Diafragma keramik

Saat ini, para peneliti terutama meningkatkan kinerja baterai dalam hal bahan positif dan negatif, pemisah, elektrolit, dan desain baterai. Diantaranya, pemisah keramik adalah cara efektif untuk meningkatkan kinerja baterai. Pemisah keramik tidak hanya dapat meningkatkan kinerja keselamatan baterai, tetapi juga Meningkatkan kinerja siklus baterai dan mengurangi laju pelepasan sendiri. Ada berbagai metode pembuatan diafragma keramik, seperti deposisi uap kimia dan pelapisan permukaan. Diafragma keramik dapat meningkatkan siklus dan kinerja keselamatan baterai lithium ion, tetapi proses persiapannya sulit dikendalikan, dan keramik pada diafragma juga cenderung rontok selama siklus tersebut.

1. Perbedaan morfologis

Diafragma yang umum digunakan di pasaran terbuat dari PP, PE, atau dua jenis pemrosesan komposit. Meskipun pemisah poliolefin mikroporous ini memiliki kekuatan mekanik dan stabilitas kimia yang sangat baik, pemisah ini memiliki tegangan internal selama proses persiapan, dan tegangan dilepaskan dalam lingkungan bersuhu tinggi, dan pemisah akan memiliki efek penyusutan termal yang jelas, yang membuat positif dan negatif. elektroda di dalam baterai Kontak langsung bahan menyebabkan korsleting internal dan terjadi kegagalan keselamatan. Melapisi partikel nano alumina pada permukaan separator dapat secara efektif meningkatkan keamanan baterai litium. Setelah melarutkan dan mencampur bubuk keramik dengan PVDF dan NMP dan menyebar secara merata, mesin pelapis dihidupkan untuk melapisi bubuk keramik pada diafragma PE. Ketebalan lapisan keramik dapat dikontrol, kemudian diafragma keramik dibuat dengan cara dikeringkan pada suhu 80 ° C selama 24 jam. Morfologi mikro dari diafragma keramik ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Morfologi mikro PE dan diafragma keramik

Dapat dilihat dari gambar bahwa partikel nano-A2O3 yang dilapisi benar-benar menutupi permukaan membran PE, dan terdapat distribusi rongga besar yang tidak merata antar partikel. Adanya void yang besar tersebut dapat mempermudah dalam proses penyisipan dan ekstraksi Li + serta memiliki kinerja absorpsi cairan dan retensi cairan yang baik untuk elektrolit, sehingga tidak mempengaruhi kinerja pengisian dan pengosongan baterai lithium setelah lapisan dilapisi.

2. Derajat penyusutan panas

Lapisan keramik berguna untuk meningkatkan ketahanan suhu tinggi diafragma. Letakkan diafragma keramik dan diafragma biasa dalam kotak dengan suhu berbeda selama 2 jam. Ada perbedaan besar dalam penyusutan antara kedua jenis diafragma. Hasil percobaan ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Dua derajat penyusutan diafragma pada temperatur yang berbeda

Diafragma menyusut pada suhu tinggi karena diafragma mengalami tekanan internal akibat traksi dan peregangan selama proses persiapan. Dalam lingkungan bersuhu tinggi, pergerakan rantai molekul internal diafragma menyebabkan stres dilepaskan dan menyusut di area yang luas; tetapi diafragma pelapis keramik menyusut 140 Morfologi diafragma itu sendiri tidak berubah kecuali untuk perubahan warna diafragma dalam kondisi pembakaran ℃. Ketika lapisan anorganik yang dilapisi pada kedua sisi permukaan diafragma memiliki ketahanan suhu dan kinerja insulasi panas yang tinggi, maka suhu diafragma dasar itu sendiri berkurang, sehingga diafragma berada pada suhu tinggi. Bentuk aslinya tetap berada di lingkungan.

3. Diafragma keramik bermanfaat untuk meningkatkan keamanan baterai

Gambar 6. Hubungan antara tahanan internal dan suhu baterai dirangkai dengan dua macam diafragma

Pemisah PE menyusut di area yang luas ketika suhu lebih tinggi dari titik lelehnya, sehingga potongan kutub positif dan negatif di dalam baterai langsung bersentuhan dan menyebabkan korsleting internal. Oleh karena itu, resistansi internal baterai yang diukur menurun dengan cepat; akan tetapi untuk separator yang dilapisi bahkan pada 150 Morfologi separator itu sendiri tidak akan berubah ketika dipanggang pada suhu ℃, sehingga tidak akan terjadi korsleting di dalam aki, yang membuat tahanan internal aki tetap meningkat. Pemisah PE akan kehilangan kestabilan mekanisnya di lingkungan bersuhu tinggi, yang akan menyebabkan kontak langsung antara elektroda positif dan negatif di dalam baterai dan menyebabkan korsleting. Pemisah lapisan keramik memiliki ketahanan suhu tinggi untuk secara efektif mencegah korsleting di dalam baterai dan meningkatkan kinerja keselamatan baterai.

4. Dampak diafragma keramik pada masa pakai baterai

Pemisah baterai lithium-ion tidak hanya mengisolasi potongan kutub positif dan negatif di dalam baterai, tetapi juga harus memiliki permeabilitas ion yang baik. Karena lapisan anorganik pada separator akan meningkatkan ketebalan separator yang dapat mempengaruhi konduktivitas ion. Tetapi percobaan membuktikan (Gambar 7) pengaruhnya lebih lemah, tetapi diafragma dengan lapisan keramik memiliki kinerja siklus yang lebih baik.

Gambar 7. Perbandingan kinerja siklus dua jenis baterai diafragma

Pemisah PP / PE non-polar, dengan permukaan hidrofobik dan energi permukaan rendah. Sulit untuk membasahi dan memelihara elektrolit organik polar seperti etilen karbonat dan propilen karbonat, yang secara langsung memengaruhi kinerja siklus dan penggunaan baterai. Kehidupan, sementara permukaan keramik anorganik bersifat hidrofilik karena adanya gugus hidroksil, pengenalannya dapat sangat meningkatkan kemampuan pembasahan dan retensi diafragma atau elektroda ke elektrolit, dan sangat meningkatkan kinerja siklus baterai. Pada saat yang sama, partikel nano-alumina memiliki luas permukaan spesifik yang besar, yang dapat meningkatkan keterbasahan dan retensi cairan elektrolit ke potongan kutub, dan juga kondusif untuk masa pakai baterai.

Untuk menyimpulkan:

Singkatnya, pelapis keramik memiliki dampak penting pada kinerja baterai lithium-ion, terutama kinerja keselamatan baterai lithium. Keramikisasi permukaan elektroda dan diafragma tidak hanya dapat secara signifikan mengurangi laju sirkuit pendek internal baterai dan meningkatkan keamanan, tetapi juga meningkatkan kemampuan basah elektrolit elektroda dan diafragma, mengurangi polarisasi, dan meningkatkan kinerja baterai secara keseluruhan. Oleh karena itu, penerapan pelapis keramik merupakan tren yang tak terhindarkan dalam perkembangan baterai lithium-ion di masa mendatang.