Het vormingsmechanisme en preventie van dendritisch lithium

Het formulier:

Simpel gezegd, dendritisch lithium betekent dat het gehalte aan lithium dat in het grafiet is ingebed, de tolerantie overschrijdt, en de overtollige lithiumionen zullen zich combineren met de elektronen die van de negatieve elektrode worden afgevoerd en zich op het oppervlak van de negatieve elektrode beginnen af ​​te zetten. Tijdens het opladen van de batterij geeft de buitenkant een spanning aan de buitenkant, zodat de lithiumionen in het positieve elektrodemateriaal kunnen worden geëxtraheerd in het elektrolytmedium. Evenzo zullen de lithiumionen in de elektrolyt naar de koolstoflaag bewegen onder de voorwaarde van het externe spanningsverschil. Grafiet heeft een gelaagd kanaal en lithium zal het kanaal binnenkomen om een ​​koolstof-lithiumverbinding met koolstof te vormen, waardoor een grafiet-intercalatieverbinding wordt gevormd zoals LiCx (x=1 ~ 6). De elektrochemische reactie op de negatieve elektrode van een lithiumbatterij kan worden uitgedrukt door de volgende formule:

In deze formule is er een parameter die is, als de twee worden opgeteldzal dendritisch lithium worden geproduceerd. Hier is een concept dat iedereen kent, grafietintercalatieverbinding. Grafiet-interlaminaire verbindingen (afgekort GIC's) zijn kristallijne verbindingen die fysische of chemische methoden gebruiken om niet-koolstofreactanten tussen grafietlagen in te voegen en te combineren met het hexagonale netwerkvlak van koolstof terwijl de gelaagde grafietstructuur behouden blijft.

Kenmerken:

Dendriet lithium wordt over het algemeen afgezet op de contactpositie tussen de scheider en de negatieve elektrode. Studenten die ervaring hebben met het demonteren van batterijen, vinden vaak een laag grijs materiaal op de separator. Ja, het is lithiumneerslag. Dendriet-lithium is een lithiummetaal dat wordt gevormd nadat lithiumionen elektronen hebben ontvangen, en lithiummetaal kan niet langer lithiumionen vormen om deel te nemen aan de laad- en ontlaadreacties van de batterij, wat resulteert in een afname van de batterijcapaciteit. Dendriet-lithium groeit van het oppervlak van de negatieve elektrode naar de scheider. Als lithiummetaal continu wordt afgezet, zal het uiteindelijk de scheider doorboren en kortsluiting in de batterij veroorzaken, waardoor veiligheidsproblemen ontstaan.

Beïnvloedende factoren:

De belangrijkste factoren die de vorming van dendritisch lithium beïnvloeden zijn: de ruwheid van het negatieve elektrode-oppervlak, de lithiumionconcentratiegradiënt, stroomdichtheid, enz. Bovendien, de SEI-film, het type elektrolyt, de opgeloste stofconcentratie en tussen de positieve en negatieve elektroden hebben allemaal invloed op de dendritische. De vorming van lithium heeft een zekere invloed.

1. Oppervlakteruwheid van negatieve elektrode

De oppervlakteruwheid van de negatieve elektrode beïnvloedt de vorming van dendritisch lithium. Hoe ruwer het oppervlak, hoe gunstiger de vorming van dendritisch lithium. De vorming van dendritisch lithium omvat elektrochemie, kristallografie, thermodynamica en kinetiek. David R. Ely Er staat een gedetailleerde beschrijving in het artikel.

2. Concentratiegradiënt en distributie van lithiumionen

Nadat de lithiumionen uit het positieve elektrodemateriaal zijn geëxtraheerd, passeren ze de elektrolyt en de scheider en nemen elektronen op bij de negatieve elektrode. Tijdens het laadproces neemt de lithiumionenconcentratie van de positieve elektrode geleidelijk toe, en de lithiumionenconcentratie van de negatieve elektrode neemt af door de continue opname van elektronen. In een verdunde oplossing met een hoge stroomdichtheid wordt de ionenconcentratie 0. Op basis hiervan stellen Fleury et al. Het model dat is opgesteld met Chazalviel laat zien dat wanneer de ionenconcentratie wordt verlaagd tot 0, de negatieve elektrode een lokale ruimtelading zal vormen en een dendritische structuur zal vormen. De groeisnelheid van de dendritische structuur is hetzelfde als de ionenmigratiesnelheid in de elektrolyt.

3. Huidige dichtheid

In het artikel Dendrietgroei in lithium / polymeersystemen gelooft de auteur dat de groeisnelheid van de punt van dendritisch lithium nauw verband houdt met de stroomdichtheid, zoals blijkt uit de volgende formule:

Als de stroomdichtheid wordt verlaagd, kan de groei van dendritisch lithium tot op zekere hoogte worden vertraagd, zoals weergegeven in onderstaande figuur:

Hoe te vermijden:

Het vormingsmechanisme van dendritisch lithium is nog duidelijk, maar er zijn veel groeimodellen van lithiummetaal. Afhankelijk van de vorming van dendritisch lithium en beïnvloedende factoren, kan de vorming van dendritisch lithium worden vermeden vanuit de volgende aspecten:

1). Controleer de vlakheid van het oppervlak van het negatieve elektrodemateriaal.

2). De grootte van de negatieve elektrodedeeltjes moet kleiner zijn dan de kritische thermodynamische straal.

3). Regel de bevochtigbaarheid van elektrodeposities.

4). Beperk het beplatingspotentieel tot onder de kritische waarde. Bovendien kan het traditionele laad- en ontlaadmechanisme worden verbeterd. Denk bijvoorbeeld aan de pulsmethode.

5). Voeg elektrolytadditieven toe die de negatieve elektrode-elektrolyt-interface stabiliseren

6). Vervang vloeibare elektrolyt door zeer sterke gel / vaste elektrolyt

7). Breng een zeer sterke lithiumanode-oppervlaktebeschermingslaag aan

Laat tot slot twee vragen aan het einde van het artikel voor iedereen om te bespreken:

1). Waar vindt de elektrochemische reactie van lithiumionen plaats? Een daarvan is de massaoverdracht in vaste fase nadat de elektrochemische reactie van lithiumionen op het grafietoppervlak verzadiging bereikt. De tweede is dat lithiumionen door de korrelgrenzen van de grafietkristallieten in de grafietlagen migreren en binnen het grafiet reageren.

2). Vindt de reactie tussen lithiumionen en grafiet koolstof-lithiumverbindingen en dendritisch lithium gelijktijdig of opeenvolgend plaats?