Silikonanodsvällning kan snabbt utvärderas utan att det behövs batteritillverkning

Silikon (Si) negativ elektrodmaterial, med sina unika fördelar av hög teoretisk kapacitet (4200mAh/g) och rikliga resurser, förväntas ersätta allmänt använda negativa grafitelektroder och bli det huvudsakliga negativa elektrodmaterialet för nästa generation av litiumjonbatterier . De mest lovande kiselbaserade anoderna för storskalig kommersialisering är kisel-kol-anoder och kisel-syreanoder, som båda har hög specifik kapacitet. På grund av legerings- och avlegeringsmekanismen hos kisel kan emellertid den betydande strukturella svällningen som orsakas av det skada den redan existerande fasta elektrolytgränsytan (SEI) på ytan av kiselmaterialet. Detta leder till den kontinuerliga förstörelsen och regenereringen av SEI-filmen under cykling, vilket förbrukar en stor mängd elektrolyt, och i slutändan resulterar i snabb minskning av batterikapaciteten. ² Därförutvärderaprestanda hos ett kiselmaterial,bortsett fråndespecifik kapacitet, initial effektivitet och cykeleffektivitet, utvärderingen av desssvullnadprestanda är också avgörande.

De befintliga metoderna för att utvärderasvullnadprestanda kräver att det negativa kiselelektrodmaterialet förbereds till en påscell eller staplad cell, och övervakas sedan för in-situsvullnadmed hjälp av kraftstrukturer och högprecisionssensorer (som IEST:s SWEsvullnadserier). Men förberedelseprocessen från pulvermaterial till färdig cell kräver inte bara en mogen cellproduktionslinje utan har också en lång utvärderingscykel. Därför, hur man snabbt utvärderarsvullnadprestanda hos ett kiselmaterial har blivit ett svårt problem för många materialforskare.

IEST har nyligen utvecklat ett fyrkanaligt in-situ snabbscreeningssystem för kiselbaserad negativ elektrod (som visas i figur 1). Lärt från monteringsläget för knappcellsbatteriet, har den framgångsrikt uppnått direkt mätning avsvullnadprestanda för negativa kiselelektroder vid elektrodänden. Detta system eliminerar arbetskrafts-, material- och tidskostnader som krävs för att förbereda färdiga battericeller och utvärderar noggrant de viktigaste prestandaindikatorerna för negativa kiselelektrodmaterial med minimal förbrukning och maximal effektivitet, vilket gör att du kan ligga steget före i forskning och utveckling. Dessutom är denna enhet också kompatibel med konventionellasvullnadtestning av småpåscelloch staplade battericeller (100*100 mm), vilket verkligen uppnår mångsidig användning.

Figur 1. Kiselbaserad anodsvullnadin-situ snabbscreeningssystem (fyra kanaler)

1. SwellingTest av olika silikonkolmaterial

1.1 Information om testprov

Positiv elektrod:NCM811,skärs i diameter 14 mm skivform.

Negativ elektrod:B, C och D har liknande kapacitet (~5,9mAh), men olika modifieringsmetoder,skärs till skivor med en diameter på 16 mm(B-materialet är speciellt modifierat av ett batterimaterialföretag i Ningbo lågexpansionsmaterial av kisel-kol, medan C och D är två vanliga kisel-kol-material på marknaden).

Elektrolyt:kommersiell elektrolyt.

Separator: PP-separator, skärs till skivor med en diameter på 18 mm.

1.2 Testinformation och process

Tabell 1. Laddnings- och urladdningsprocess

1.3 Analys av svullnadsresultat

I handskfacket monterades tre silikon-kolmaterial till en myntcell fullt batteri (den positiva elektroden använder samma NCM-material för att säkerställa principen om enkel variabel), och den snabbasvullnadtestet utfördes med hjälp av det kiselbaserade negativa elektrodexpansionssystemet för snabb skärmning på plats av IEST Technology, och resultatet visas i figur 2. Först och främst expanderar de tre kisel-kolmaterialen alla med laddning och krymper med urladdning,vilket överensstämmer med svallningen av litiumjoninterkaleringnär den negativa elektroden är laddad, ochkrympningen av litiumjondeinterkaleringvid utskrivning. Därför, även om vi monterade ett fullt batteri, den övergripandesvullnadbatteriets beteende domineras fortfarande av den negativa elektroden, medansvullnadoch kontraktionen av den positiva elektroden är mycket mindre än den för den negativa elektroden³. För det andra, böjningspunkterna försvullnadkurvorna för de tre är också mycket överensstämmande med böjningspunkterna för laddnings- och urladdningskurvorna, vilket indikerar attsvullnadkurvor kan återspegla expansions- och kontraktionsbeteendet under litiumjonbatterietdeinterkaleringsprocess.

Samtidigt harmodell myntcell svullnadutvärderingsmetod kan också effektivt utvärderasvullnadskillnad mellan olika kisel-kolmaterial. Det kan tydligt ses av figur 2 att i samma driftsspänningsområde, den totalasvullnadav kisel-kol-materialet av B-typ är mycket mindre än det för de andra två typerna av kisel-kol-material, vilket indikerar att den speciella modifieringsbehandlingen avsevärt kan hämma tillväxten av den negativa kisel-kolelektroden. Swelling, och därigenom minska en serie sidoreaktioner orsakade avsvullnad, och i slutändan förbättra materialets cykelprestanda. Dessutom räknar Tabell 2 och Tabell 3 respektivesvullnadtjocklek ochsvullnadhastighetsdata för de tre kisel-kol-materialen, av vilka det kan ses att: (1) Expansionen av de tre kisel-kol-materialen för den första laddningen kommer att vara högre än den för den första urladdningen och de två sista cyklerna.svullnadladdning och urladdning är mycket större, och det finns en viss irreversibelsvullnadi den första cykeln av laddning och urladdning. Detta beror på att den negativa elektroden kommer att generera SEI-film och producera vissa irreversiblasvullnadpå ytan av aktiva partiklar förutom litiuminterkaleringsvullnadunder den första laddningen. (2) Jämförasvullnaddata för de senaste två cyklerna av laddning och urladdning, kan det ses att genomsnittetsvullnadtjockleken på kisel-kolmaterialet av B-typ efter modifiering är endast ~4,2μm, ochsvullnadräntan är ~8,9%, medan C-typ material och D Genomsnittetsvullnadav B-materialet är 3,7 gånger och 5 gånger det för B-materialet,respektiveAtt densvullnadModifieringseffekten av materialet av B-typ är mycket uppenbar.

Figur 2. Använda modellbatteriet för att snabbt utvärdera svälltjockleksförändringen av tre olika kisel-kolmaterial under 3 cykler av laddning och urladdning, där den streckade linjen är spänningen kontra tidkurvan och den heldragna linjen är kurvan för svällningstjockleksändringen med tid.

Tabell 2. Svälltjockleken för tre kiselkolmaterial per laddning och urladdningscykel

Tabell 3. Svällningshastighet för tre kiselkolmaterial per laddning och urladdningscykel

2. Elektronmikroskopobservation av olika Sic-material

Dessutom, för att jämförasvullnadav polstycket uppmätt med modellknappen med resultatet av manuell tjockleksmätning, demonterade vi det fullt fyllda kiselkolpolstycket och observerade och jämförde tvärsnittet av polstycket under svepelektronmikroskopet. Tjockleken mättes och resultaten visas i figur 3. Efter avdrag för tjockleken på kopparfolien, expanderar beläggningstjockleken på kolpolstycket av typ B kisel från ~50,81 μm till ~55,45 μm efter att ha blivit fulladdat, och den totalasvullnadär ~4,64 μm, vilket är samma som genomsnittetsvullnadtjocklek mätt med modellspännet. väldigt nära. Dessutom, för C- och D-kisel-kolmaterialen, expanderade beläggningstjockleken med ~11,98 μm respektive ~14,65 μm efter full fyllning, vilket är somsvullnaddata för de två sista cyklerna i tabell 2. Sammanfattningsvis, oavsett om modellen används för in-situ övervakning eller om polstycket är demonterat för elektronmikroskopobservation,svullnadtrenderna för de tre kisel-kolmaterialen är konsekventa, det vill säga D>C>B.

Figur 3. Skannaelektronmikroskopbilder av tvärsnitten av tre kiselkolpoldelar innan de är fulladdade (Fresh) och efter att de blivit fulladdade (Full Charged). Bland dem är (ab) elektronmikroskopbilden av typ B kisel-kol material; (cd) är elektronmikroskopbilden av kisel-kolmaterial av typ C; (ef) är elektronmikroskopbilden av kisel-kolmaterial av typ D.

3. Sammanfattning

I detta dokument utfördes det snabba expansionstestet av tre kisel-kol-material med olika modifieringsförhållanden med hjälp av den IEST-kiselbaserade negativa elektrodensvullnadsnabbt screeningsystem på plats. De negativa elektroderna av tre kiselkol behöver inte förberedas till mjuka förpackningar eller laminerade celler, utan behöver bara sättas ihop till ett modellknappbatteri för att direkt testasvullnadtjockleken på den negativa elektrodskivan av kiselkol in situ, vilket inte bara sparar beredningen av färdiga celler. De besvärliga stegen förbättrar också avsevärt effektivitetensvullnadutvärdering av kiselbaserade material. Det kan ses från in-situ testresultaten av modellspännetsvullnadav B-typ kisel-kol-materialet efter speciell modifiering är mycket mindre än de C- och D-typ kisel-kol-material som är vanliga på marknaden. Samtidigt plockade vi också isär den fulladdade polbiten och observerade den med ett elektronmikroskop. Observationsresultaten visade samma trend som in-situ-testet av modellspännet, det vill sägasvullnadav kisel-kol-materialet av B-typ var den minsta av de tre, vilket indikerar att IEST Den kiselbaserade negativa elektrodensvullnadin-situ snabbscreeningssystem kan direkt utvärderasvullnadmaterialets prestanda vid elektrodänden, utvärdera noggrant de viktigaste prestandaindikatorerna för den negativa kiselelektroden med den minsta förbrukningen och den snabbaste effektiviteten, och gör din forskning och utveckling ett steg snabbare!

4. Referensmaterial

[1] M. Ashuri, QR He och LL Shaw, Silicon som ett potentiellt anodmaterial för Li-ion-batterier: där storlek, geometri och struktur spelar roll. Nanoskala 8 (2016) 74–103.

[2] XH Shen, RJ Rui, ZY Tian, ​​DP Zhang, GL Cao och L. Shao, Utveckling av kisel/kolkompositanodmaterial för litiumjonbatterier. J. Chin. Grädde. Soc. 45 (2017) 1530-1538.

[3] R. Koerver, WB Zhang, L. Biasi, S. Schweidler, A. Kondrakov, S. Kolling, T. Brezesinski, P. Hartmann, W. Zeier och J. Janek, Chemo-mechanical expansion of lithium electrode materials - på väg till mekaniskt optimerade helsolid-state-batterier. Energ. Environ. Sci. 11 (2018) 2142-2158.