Sıkıştırma yoğunluğu ve kaplama kalınlığı lityum pillerin güç performansını nasıl etkiler?
Lityum iyon piller için en önemli iki gösterge enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğudur.Enerji yoğunluğu, lityum iyon pilin birim hacim veya ağırlık başına ne kadar enerji depolayabildiğini, güç yoğunluğu ise birim ağırlık veya hacim başına çıktıyı ifade eder. Güç boyutu.
Güç pilinde, yalnızca lityum iyon pilin yüksek bir enerji yoğunluğuna sahip olmasını ummuyoruz, böylece daha yüksek bir seyir menziline sahibiz, aynı zamanda güç pilinin yoğun sürüş sırasında güç çıkışımızı karşılamak için daha yüksek bir güç yoğunluğuna sahip olmasını umuyoruz.
Ancak lityum iyon pillerin tasarımında ve üretiminde bu iki gösterge birbiriyle çelişmektedir.Genel olarak enerji yoğunluğunu artırmak için elektrot kaplama miktarını artırmamız ve aktif malzeme oranını artırmamız gerekiyor ki bu da güç performansında düşüşe neden oluyor. , Ve güç yoğunluğunu artırmak için, kaplama miktarını azaltmamız ve iletken ajan oranını artırmamız gerekiyor, böylece ikisi arasında bir denge sağlamak çok zor hale geliyor.
Son zamanlarda, Japonya'daki Tokyo Tarım ve Teknoloji Üniversitesi'nden Kazuaki Kisu (ilk yazar), EtsuroIwama (ilgili yazar) ve Katsuhiko Naoi (ilgili yazar), lityum iyon pillerin üretimindeki önemli göstergeleri-sıkıştırma yoğunluğu ve lityum iyon pillerin gücü üzerindeki elektrot kalınlığını analiz etti Analiz, NCM malzemeleri için minimum elektrot empedansının, elektrot kalınlığı 70um ve sıkıştırma yoğunluğu 2,9 g / cm3 olduğunda elde edilebileceğini, böylece mükemmel pil performansı sağlarken daha yüksek bir enerji yoğunluğu sağladığını göstermektedir. Büyütme performansı.
Referans elektrodun test sonuçları üzerindeki etkisini ortadan kaldırmak için Kazuaki Kisu simetrik bir pil yapısı benimsemiştir (yukarıdaki Şekil a'da gösterildiği gibi), yani pozitif ve negatif elektrotlar aynı elektrottur ve metal Li iki elektrot arasına yerleştirilir. Elektrot yöntemi, iki elektrotun SoC'sini ayarlar ve ardından metal Li elektrot kuru bir ortamda çıkarılır ve ardından pil bir AC empedans testine tabi tutulur.
Yukarıdaki şekil b, elektrotta Li + difüzyon empedansını temsil eden yüksek frekans alanında 45 derecelik eğimli bir çizgi görebildiğimiz% 0 SoC durumunda EIS test sonucudur ve yukarıdaki şekil c Li + 'nın difüzyon empedansıdır. Elektrot kalınlığı ile elektrot kalınlığı arasındaki ilişki Şekilden Li + 'nın difüzyon direnci Rion ile elektrot kalınlığı arasında doğrusal bir korelasyon olduğu görülmektedir. Yukarıdaki şekil d,% 50 SoC elektrotunun EIS spektrumudur.Yüksek frekans bölgesindeki yarım daire, elektrotun şarj değişim direnci RCT'yi temsil eder. Şekilden, yük değişim direncinin elektrotun kalınlığı olan elektrotun kalınlığı ile negatif bir korelasyona sahip olduğunu görebiliriz. Ne kadar kalın olursa, şarj değişim direnci o kadar küçük olur.
Sıkıştırma yoğunluğu, lityum iyon pillerin üretiminde önemli bir parametredir.Enerji yoğunluğunu artırmak için, genellikle sıkıştırma yoğunluğunu mümkün olduğunca artırmayı umuyoruz.Yukarıdaki şekil, kalınlığın 2.7, 2.9 ve 3.4g / Cm3 sıkıştırma yoğunluğu altında elektrot içerisindeki mikro gözeneklerin boyutundaki değişim, sıkıştırma yoğunluğu arttıkça elektrot içerisindeki mikro gözeneklerin boyutunun giderek azaldığı şekilden görülebilmektedir.
Kazuaki Kisu, elektrottaki gözeneklerin çapı ile sıkıştırma yoğunluğu arasındaki ilişkiyi türetir ve aşağıda gösterildiği gibi elektrot gözeneklerinin yarıçapı ile sıkıştırma yoğunluğu arasındaki ilişkiyi elde eder.
Rion ile elektrot kalınlığı ve mikro gözenek sayısı arasındaki ilişkiye göre, Rion ile elektrotun sıkıştırma yoğunluğu arasındaki ilişkiyi daha da çıkarabiliriz, aşağıda gösterildiği gibi, Rion ve sıkıştırma yoğunluğu arasındaki ilişkinin basit olmadığı görülebilir. Doğrusal ilişki, ancak sıkıştırılmış yoğunluk aktif malzemenin gerçek yoğunluğuna yakın olduğunda, Rion keskin bir şekilde artacaktır.
Aşağıdaki şekil, farklı sıkıştırma yoğunluklarına sahip elektrotların EIS test sonuçlarını göstermektedir.Aşağıdaki şekil b'den, sıkıştırma yoğunluğu 3.0g / cm3'e ulaşmadan önce, Rion ve sıkıştırma yoğunluğu arasındaki korelasyonun nispeten zayıf olduğu görülebilir. Yoğunluk arttıkça, Rion yalnızca hafifçe artar, ancak sıkıştırma yoğunluğu 3.g / cm3'ü aştıktan sonra, Rion hızla artar, bu da önceki tahminimizle tutarlıdır.
Aşağıdaki şekil c'deki şarj değişim direnci RCT'den, yük değişim direnci aslında sıkıştırma yoğunluğu arttıkça bir dereceye kadar azalır Kazuaki Kisu, bunun esas olarak aynı kalınlıktaki daha yüksek sıkıştırmadan kaynaklandığına inanmaktadır. Yoğunluk, birim alan başına kaplama miktarında bir artış anlamına gelir, bu da aktif malzeme ile elektrolit arasındaki temas alanında bir artışa yol açar ve bu da şarj değişim direnci RCT'de bir azalmaya neden olur.
Kazuaki Kisu, lityum iyon pillerin sıkıştırma yoğunluğunun genellikle lityum iyon pillerin empedansının artmasına neden olan önemli bir faktör olduğuna inanıyor çünkü daha düşük bir sıkıştırma yoğunluğu, aktif malzeme parçacıkları arasında ve aktif malzeme ile pozitif elektrot Al folyo arasında temasa neden olma eğilimindedir. Empedans artar.Aşağıdaki şekil, EIS test sonuçlarına göre elde edilen farklı sıkıştırma yoğunluklarında elektrot temas direnci ile elektrot sıkıştırma yoğunluğu arasındaki ilişkiyi göstermektedir.Test sonuçlarından, sıkıştırma yoğunluğu giderek arttıkça elektrot temas direnci Rcon Hızla azaltın.
Yukarıdaki deneysel verilere ve formüle göre Kazuaki Kisu, elektrotun toplam empedansı ile elektrot kalınlığı ve sıkıştırma yoğunluğu arasındaki ilişkiyi elde etti (aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi). Aşağıdaki şekilde a, X ekseni elektrot kalınlığı ve Y ekseni elektrot sıkıştırmasıdır. Yoğunluk, şekildeki renk elektrotun toplam empedansını, mavi düşük empedansı ve kırmızı yüksek empedansı temsil eder. Şekilden, elektrot kalınlığı 70um ve sıkıştırma yoğunluğu yaklaşık 2.9g / cm3 olduğunda, en düşük elektrot empedansını (Rion, RCT ve Rcon dahil) elde edebildiğimizi görebiliriz.Aşağıdaki şekil b ve c'yi de görebiliriz. Sıkıştırma yoğunluğu çok yüksek veya çok düşük olduğunda, bataryanın iç direncinin ve polarizasyonunun artacağı görülebilir.
Kazuaki Kisunun çalışması bize, sıkıştırma yoğunluğu ve kaplama kalınlığının iki önemli parametresinin toplam elektrot empedansı üzerindeki etkisini, özellikle de yazarın makalenin sonunda elde ettiği elektrot empedansı ile sıkıştırma yoğunluğu ve kaplama kalınlığı arasındaki farkı derinlemesine anlamamızı sağladı. İlişki diyagramı, lityum iyon pillerin tasarımı için önemli bir yol gösterici öneme sahiptir.
