Kompressions- och konduktivitetsanalys av olika partikelstorleksfördelning för LCO-material
Råvaror för litiumjonbatterier inkluderar huvudsakligen katodmaterial, katodmaterial, vätskeuppsamling, elektrolyt och diafragma. Positiva och negativa elektrodmaterial är vanligtvis pulvermaterial av mikronkvalitet, bland vilka de vanliga katodpulvermaterialen för litiumjonbatterier är skiktad litiumkoboltoxid, olivinstruktur litiumjärnfosfat, spinelllitiummanganoxidstruktur och skiktad nickel-kobolt-mangan ternär material (nedan kallat NCM). Där, om någon, litiumkoboltoxid (LiCoO2, LCO) har en dominerande ställning inom klass 3C (dator, kommunikation och konsument) baserade elektroniska batterier, som har fördelarna med hög energitäthet, högspänningsplattform, stabil urladdning och enkel produktionsprocess. För närvarande har efterfrågan på lätta och intelligenta bärbara elektroniska produkter under en längre tid främjat utvecklingen av LCO-batterier och ytterligare förbättrat energitätheten. Som visas i figur 1 visar utvecklingsfärdplanen för litiumkoboltsyrabatterier.
Figur 1. LCO-Graphite full-cell utveckling Roadmap【1】
Produktionsprocess för litiumjonbatterier i produktionsprocessen för polplåt är den viktigaste länken, tryck på polplåtsrullar är också en viktig processdel i processen för produktion av polplåt, tryck på polplåtsrullar är vanligtvis anordnad efter beläggnings- och torkningsprocessen, före filmskärningsprocessen, efter att polarket kommer in i valspressen, under inverkan av kraften, flöde, omarrangemang och inbäddning av aktiva partiklar i polarplåten, gapet mellan partiklarna ändras, polarkets valspressning är omarrangemang och komprimeringsprocessen av pulvret, Detta papper är huvudsakligen baserat på fyra olika typer av L CO-pulvermaterial, Testa pulvrets resistivitet, komprimeringsdensitet och kompressionsegenskaper under olika tryck, I kombination med SEM-testning, Partikelstorleken,morfologi, densitet och kompressionsegenskaper hos LCO-pulvermaterial analyserades.
1. Testmetod
1.1 SEM-morfologitest av de fyra materialen.
1.2 Konduktiviteten, packningsdensiteten och kompressionsprestanda testas av PRCD3100 (IEST) för de fyra LCO-materialen. Testutrustningen är som visas i figur 2.
Testparametrar: applicerat tryckområde på 10-200MPa, intervall på 20MPa, tryckhållning i 10s;
 |  |
Figur 2. (a) PRCD3100 utseendediagram; (b) PRCD3100 strukturdiagram
2. Testresultat
2.1 SEM-testresultat
De fyra L CO-pulvermaterialen testades utan tryck med SEM, Figur 3 visar resultaten av SEM-testerna för fyra material: L CO-1, L CO-2, L CO-3 och L CO-4. framgår av figuren att partikelfördelningen och partikelstorleken för de fyra materialen uppenbarligen är olika. Bland dem innehåller L CO-1 prover med flera kornstorlekar i intervallet ca 30 m-5 m, L CO-2 innehåller pulver i intervallet ca 15 m-5 m, L CO-3-provet innehöll pulver i intervallet ca 45 m-10 m, L CO-4 är huvudsakligen en liten partikelstorlek på ca 5 m; Skillnaden i partikelstorleksfördelning påverkar direkt fyllningseffekten av pulvret under kompression, Det är nära kopplat till packningsdensiteten, den elektroniska konduktiviteten och kompressionsegenskaperna mellan materialen.
Figur 3 . SEM-topografin för de fyra LCO-materialen
2.2 Resultat av kompressionsprestandatest
Pulvermaterialets kompressionsprestanda är relaterad till partikelform, partikelstorlek och fördelning. Under tryckeffekten är den totala pulverdeformationen den huvudsakliga irreversibla deformationen; den elastiska deformationen av partiklarna och spänningen. När trycket överstiger sträckgränsen för pulvermaterialet är det också irreversibel deformation. Faktum är att processen med pulverpartikelkomprimering är multigravitation, och stress är också en process av omfattande förändring.
Tabell 1. Sammanfattning av data för formvariabler för de fyra LCO-materialen
 |
 |
Figur 4 Spännings- och töjningskurvor under tryckavlastning av de fyra LCO-materialen
I detta experiment, när trycket når 200 MPa, avlastades trycket gradvis för att erhålla spännings- och töjningskurvorna för de fyra LCO-materialen, som visas i figur 4. Den reversibla deformationen beräknas också som skillnaden mellan den maximala deformationen ( visas i del ❶) och den irreversibla deformationen (visas i del ❷), De specifika data visas i tabell 1, Det kan ses från tabellen att dess reversibla formliknande variabel storlek, L CO-4>LCO-2>LCO-1>LCO-3, jämförande analys kombinerat med S EM-testresultaten visade att, för partikelstorleksfördelningen av de fyra materialen, visade andelen små partiklar också en trend av L CO-4>LCO-2>LCO-1>LCO-3, Den omfattande analysen kan vara att för samma material, När partikelstorleken är liten, har materialet mer kontaktyta, Mer känsligt för kraften från elastisk reversibel deformation; För att ytterligare identifiera denna möjlighet, analyserad ur perspektivet av provtagningsvolym och flera experiment med olika enheter, var den reversibla deformationstrenden för alla fyra materialen L CO-4>LCO-2>LCO-1>LCO-3; För kontrasten mellan den maximala deformationen och den irreversibla deformationen av de fyra materialen, kommer olika provtagningsstorlekar och testförhållanden att variera. Detta kan vara relaterat till provtagningsskillnader och skillnader i fyllningseffekt.
3 2. Testresultat för packningsdensitet och elektrisk konduktivitet
Pulvermaterialforskning visar att för samma material, enstaka partikelstorlek, liknande geometri hos pulver, kommer stor partikelstorlek att leda till liten kontaktyta, liten interaktion mellan partiklar (mekanisk intrassling och friktion), god rörlighet, den lättaste att bilda tät ackumulering tillstånd, alltså fyllningstäthet, liten porositet, under tryck, partikelgapet upptar volymen är liten, det är lättare att få relativt stor packningsdensitet. Det faktiska pulvret har dock en faktisk kontinuerlig partikelstorleksfördelning, vilket direkt påverkar fyllningseffekten. Pulverprover med olika partikelstorleksfördelning kan flöda och omarrangeras under tryck, och pulvret med stor partikelstorlek kan bilda fler tomrum, medan små partiklar kan fyllas i gapet, vilket resulterar i stor packningsdensitet och litet hålrumsförhållande.
Figur 5 visar resultaten av bestämningen av packningsdensiteten för de fyra L CO-materialen, där packningsdensitetens storlek står i kontrast till L CO-3>LCO> 1>LCO-2>LCO-4. I kombination med resultaten av S EM-testet som hittats, Jämfört med L CO-4-provet med en enda partikelstorlek och mindre partiklar, har de andra tre proverna med en relativt stor partikelstorlek och en multipel partikelstorleksfördelning alla en relativt hög packning densitet, Detta indikerar att interaktionskraften mellan de små partiklarna är relativt stor, Svår flödesomläggning av partiklar, Bildar en högre porositet, Låg packningsdensitet; Jämför de tre materialen: L CO-1, L CO-2 och L CO-3, partikelstorlek (L CO-3>LCO-1>LCO-2) och dess fördelningsskillnad kan också vara en av nyckelfaktorerna för skillnaden i packningsdensitet, Flders med bred partikelstorlek är mer benägna att bilda tät packning, Små pulver fyller gapet mellan stora partiklar, Den slutliga packningsdensiteten är högre. Om deformationen av själva partiklarna inte beaktas först, är komprimeringsprocessen av pulverpartiklarna den process där pulvret ackumuleras mest från det lösa tillståndet under tryck.
Enligt den mest kompakta packningsprincipen, när de sfäriska partiklarna med radie R packas på det mest kompakta sättet, kommer alla partiklar i kontakt med varandra, den teoretiska porositeten som bildas mellan partiklarna är 25,94% och porerna mellan primära partiklar med radie R kan fylla den sekundära partikelradien är 0,414R. Efter att alla porer är fyllda med sekundära partiklar är porositeten 20,70 %. Den maximala partikelradien som kan fyllas på i poren är 0,225R, kubiska partiklar, 0,177R och 0,116R, motsvarande en teoretisk porositet på 19%, 15,8% och 14,9%.
Figur 5 Testresultat för packningsdensitet för de fyra LCO-materialen
För den elektroniska ledningsförmågan hos pulvermaterial, mer anslutning och kontakt mellan pulverpartiklar, för de flesta L CO-material, och sambandet mellan pulverpartiklar och kontakt med partikelstorlek och storleksfördelning är också relaterat, som nämnts i kompakteringsdensitetsanalys, för samma partikelstorlek pulver prover föredrar punktkontakt, den totala kontaktytan, mindre partiklar är ytkontakt; samma fyllningseffekt, kan också påverka förändringen av elektrisk ledningsförmåga.
Figur 6 visar testresultaten för elektrisk ledningsförmåga för fyra L CO-pulvermaterial. Resistivitetsjämförelseresultaten visade att L CO-1 har den bästa ledningsförmågan, L CO-3 har den sämsta elektriska ledningsförmågan, L CO-2 och L CO-2 under lågt tryck av L CO-2 och L CO-4, L CO-4
Men för de mest ledande LCO-3-proverna med den sämsta elektriska ledningsförmågan har de en stor total partikelstorlek och en snäv partikelstorleksfördelning, och den totala kontakten med partiklar är dålig, vilket orsakar dålig elektronisk ledningsförmåga. På liknande sätt, för LCO-2- och LCO-4-prover, under lågt tryck, främst på grund av kontakten mellan provpartiklar, visade den totala storleken på LCO-4-prover god konduktivitet, och med ökningen av trycket, LCO-2-partiklar har fyllningseffekt, realiserar små partiklar mellan stora partiklar, och konduktiviteten är större än L CO-4, men den övergripande skillnaden är inte stor.
Figur 6 Testkurvor för elektrisk konduktivitet för de fyra LCO-materialen
Summera
I detta dokument testar PRCD3100 konduktiviteten, packningsdensiteten och kompressionsprestandan för fyra typer av L CO-material, kombinerat med SEM-partikelstorleksfördelningsskillnaden för material, preliminärt utvärderat det möjliga sambandet mellan skillnaden i partikelstorleksfördelning och materialkonduktivitet, packning och kompression prestanda, ger en ny idé och riktning för materialskillnadsanalys och utvärdering.
Referensdokumentation
[1] Kai W , Jw A , Yx A , et al. Senaste framstegen och historiska utvecklingar av högspänningslitiumkoboltoxidmaterial för uppladdningsbara litiumjonbatterier[J].Journal of Power Sources, 460.
[2] Park M , Zhang X , Chung M , et al. En genomgång av ledningsfenomen i Li-ion-batterier[J]. Journal of Power Sources, 2010, 195(24):7904-7929.
[3] Yang Shaobin, Liang Zheng. Tillverkningsprocessprincip och tillämpning av litiumjonbatteri.