Analisis mendalam mengenai penyebab kemerosotan hayat bateri NCM811

Bahan ternary nikel-kobalt-mangan adalah salah satu bahan utama bateri kuasa semasa. Ketiga-tiga unsur mempunyai makna yang berbeza untuk bahan katod. Antaranya, nikel adalah untuk meningkatkan kapasiti bateri. Semakin tinggi kandungan nikel, semakin besar kapasiti bahan tertentu. Kapasiti khusus NCM811 dapat mencapai 200mAh / g, platform pelepasan sekitar 3.8V, dan dapat dibuat menjadi bateri dengan ketumpatan tenaga yang tinggi. Walau bagaimanapun, masalah dengan bateri NCM811 adalah bahawa ia mempunyai keselamatan yang buruk dan kerosakan kitaran yang cepat Apakah sebab-sebab yang mempengaruhi kehidupan dan keselamatan kitarannya? Bagaimana menyelesaikan masalah ini? Berikut adalah analisis mendalam:

Jadikan NCM811 menjadi bateri butang (NCM811 / Li) dan bateri paket lembut (NCM811 / grafit), dan uji masing-masing kapasiti gram dan kapasiti bateri penuh. Bahagikan bateri paket lembut kepada 4 kumpulan untuk eksperimen faktor tunggal, pemboleh ubah parameter adalah voltan pemotongan, dan nilainya adalah 4.1V, 4.2V, 4.3V, 4.4V. Pertama, bateri dikitar dua kali pada kadar 0.05C, dan kemudian dikitar pada 30 ° C pada kadar 0.2C. Selepas 200 kitaran, keluk kitaran bateri soft pack ditunjukkan pada gambar di bawah:

Ini dapat dilihat dari gambar bahawa dalam keadaan voltan pemotongan yang lebih tinggi, kapasiti gram bahan aktif dan kapasiti bateri keduanya tinggi, tetapi kapasiti gram bateri dan bahannya semakin cepat merosot. Sebaliknya, pada voltan pemotongan yang lebih rendah (di bawah 4.2V), kapasiti bateri merosot dengan perlahan dan jangka hayat kitaran lebih lama.

Eksperimen ini menggunakan teknologi kalorimetri isotermal untuk mengkaji reaksi parasit, dan menggunakan XRD dan SEM in-situ dan ex-situ untuk mengkaji struktur dan morfologi degradasi bahan katod semasa berbasikal. kesimpulan seperti di bawah:

1. Perubahan struktur bukanlah sebab utama untuk mengurangkan jangka hayat bateri

Hasil data XRD dan SEM ex-situ menunjukkan bahawa kepingan tiang bateri yang tidak dikitar dan bateri dengan voltan pemotongan masing-masing 4.1V, 4.2V, 4.3V, dan 4.4V, setelah dikitar pada suhu 0.2C selama 200 kali, morfologi zarah dan atom Tidak terdapat perbezaan struktur yang jelas. Oleh itu, perubahan struktur bahan aktif yang cepat semasa pengisian dan pelepasan bukanlah sebab utama penurunan jangka hayat bateri. Sebaliknya, tindak balas parasit antara elektrolit dan antara muka zarah bahan aktif yang sangat aktif dalam keadaan pembuangan adalah sebab utama jangka hayat bateri yang dipendekkan di bawah kitaran voltan tinggi 4.2V.

(1) SEM

a1 dan a2 adalah gambar SEM bateri tanpa mengitar. b ~ e adalah gambar SEM bahan aktif positif selepas 200 kitaran kitaran di bawah keadaan 0.5C dan voltan pemotongan cas adalah 4.1V / 4.2V / 4.3V / 4.4V. Bahagian kiri berada pada pembesaran rendah dan sebelah kanan adalah pembesaran tinggi. Muat turun gambar mikroskop elektron. Dari gambar di atas dapat dilihat bahawa tidak ada perbezaan yang signifikan dalam morfologi zarah dan tahap pemecahan antara bateri kitar semula dan bateri tidak dikitar.

(2) XRD

Seperti yang dapat dilihat dari gambar di atas, tidak ada perbezaan yang jelas antara kelima dari segi bentuk dan kedudukan puncak.

(3) Perubahan parameter kisi

Seperti yang dapat dilihat dari jadual, perkara berikut:

1). Pemalar kisi pada tiang yang tidak beredar selaras dengan serbuk bahan aktif NCM811. Apabila voltan pemotongan kitaran adalah 4.1V, pemalar kisi juga tidak dapat dibezakan dari dua bekas, dan paksi-c mempunyai kenaikan kecil. Melihat pemalar kisi paksi-c dengan voltan pemotongan kitaran 4.2V, 4.3V, dan 4.4V, tidak ada perbezaan yang signifikan dari 4.1V (perbezaannya adalah 0,004 angstrom), sedangkan data pada paksi-a adalah agak berbeza.

2). Tidak ada perubahan yang signifikan dalam kandungan Ni dalam lima kumpulan ujian perbandingan.

3). Bahagian tiang dengan voltan putaran 4.1V pada 44.5 ° menunjukkan FWHM yang lebih besar, sementara kumpulan perbandingan yang lain lebih dekat.

Semasa proses pengisian dan pengosongan bateri, sumbu c menunjukkan pengecutan dan pengembangan yang besar. Di bawah voltan tinggi, penurunan jangka hayat bateri bukan disebabkan oleh perubahan struktur bahan hidup. Oleh itu, tiga perkara di atas mengesahkan bahawa perubahan struktur bukanlah sebab utama penurunan jangka hayat bateri.

2. Jangka hayat bateri NCM811 berkaitan dengan reaksi parasit pada bateri

NCM811 dan grafit dibuat menjadi bateri pek lembut, dan mereka menggunakan elektrolit yang berbeza. Kedua-dua kumpulan elektrolit bateri eksperimen perbandingan ditambah dengan 2% VC dan PES211, tetapi kadar penyelenggaraan kapasiti bateri setelah berbasikal menunjukkan perbezaan yang besar.

Seperti yang dapat dilihat dari gambar di atas, apabila voltan pemotongan bateri dengan 2% VC adalah 4.1V, 4.2V, 4.3V, 4.4V, kadar pengekalan kapasiti bateri setelah 70 kitaran adalah 98%, 98 %, 91%, 88%, masing-masing. Dalam bateri dengan PES211 ditambahkan, kadar pengekalan kapasiti turun menjadi 91%, 82%, 82%, 74% setelah hanya 40 kitaran. Yang penting ialah: Dalam eksperimen sebelumnya, hayat kitaran sistem NCM424 / grafit dan NCM111 / grafit dengan PES211 lebih baik daripada dengan 2% VC. Ini membawa kepada hipotesis bahawa dalam sistem bahan nikel yang tinggi, bahan tambahan elektrolit mempunyai kesan yang besar terhadap hayat bateri.

Dari data di atas juga dapat dilihat bahawa hayat kitaran di bawah voltan tinggi jauh lebih buruk daripada di bawah voltan rendah. Dengan memasang fungsi ke polarisasi, △ V dan bilangan kitaran, angka berikut diperoleh:

Dapat dilihat bahawa ΔV bateri kecil ketika bateri dikitar pada voltan pemotongan rendah, dan ketika voltan naik di atas 4.3V, ΔV naik tajam dan polarisasi bateri meningkat, yang sangat mempengaruhi masa pakai bateri . Ini juga dapat dilihat dari gambar bahawa kadar perubahan ΔV VC dan PES211 berbeza, yang selanjutnya mengesahkan bahawa aditif elektrolit berbeza, dan tahap polarisasi dan kelajuan bateri juga berbeza.

Gunakan kaedah mikrokalorimetri isotermal untuk menganalisis kebarangkalian reaksi parasit bateri, dan buat hubungan fungsional dengan rSOC dengan mengekstrak parameter seperti polarisasi, entropi, dan aliran panas parasit, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:

Rajah menunjukkan bahawa di atas voltan 4.2V, aliran haba parasit tiba-tiba naik. Ini kerana permukaan elektrod positif, yang sangat lithiated di bawah voltan tinggi, sangat mudah untuk bertindak balas dengan elektrolit. Ini juga menjelaskan mengapa semakin tinggi voltan pengecasan cas, semakin cepat kadar pengekalan kapasiti bateri menurun.

3. NCM811 mempunyai keselamatan yang lemah

Dalam keadaan peningkatan suhu persekitaran secara berterusan, aktiviti NCM811 bertindak balas dengan elektrolit dalam keadaan terisi jauh lebih besar daripada aktiviti NCM111 bertindak balas dengan elektrolit. Oleh itu, lebih sukar bagi bateri yang dibuat oleh NCM811 untuk lulus pensijilan wajib nasional.

Angka ini adalah grafik kadar pemanasan sendiri NCM811 dan NCM111 antara 70 ° C dan 350 ° C. Gambar menunjukkan bahawa pada sekitar 105 ° C, NCM811 mula menghasilkan haba, tetapi NCM111 belum mula menghasilkan haba hingga 200 ° C. NCM811 bermula pada 200 ° C dan mempunyai kadar pemanasan 1 ° C / min, sementara NCM111 masih 0,05 ° C / min. Ini juga bermaksud bahawa sukar bagi bateri NCM811 / grafit untuk lulus pensijilan keselamatan wajib.

Bahan aktif nikel tinggi pasti akan menjadi bahan utama bateri berketumpatan tenaga tinggi pada masa akan datang. Bagaimana menyelesaikan masalah kerosakan bateri NCM811 yang cepat? Salah satunya ialah meningkatkan prestasi NCM811 dengan mengubah permukaan zarah. Yang kedua adalah menggunakan elektrolit yang dapat mengurangkan reaksi parasit di antara keduanya, sehingga meningkatkan jangka hayat dan keselamatan kitarannya.