ผลกระทบในปริมาณเคลือบอิเล็กโทรดต่อประสิทธิภาพของ LFP

สำหรับแบตเตอรี่ที่มีความจุเท่ากัน การเพิ่มปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดสามารถลดจำนวนชั้นของชิ้นขั้ว วัสดุฟอยล์ และตัวกั้น ทำให้ได้ผลกระทบสองอย่างคือการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและลดต้นทุน แม้ว่าการเพิ่มปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดจะเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ แต่ผลกระทบต่อประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่จำเป็นต้องได้รับการประเมินเพิ่มเติม

บทความนี้อธิบายการเตรียมอิเล็กโทรด LiFePO4 ที่มีปริมาณการเคลือบสูงและต่ำ และประกอบเข้ากับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบซอฟต์แพ็ก และตรวจสอบผลกระทบของปริมาณการเคลือบต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่

ขั้นตอนการทดลองประสิทธิภาพของอิเล็กโทรด

การเตรียมแบตเตอรี่

วัตถุดิบที่ใช้ในการทดลองเป็นวัสดุที่ใช้ในการเตรียมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ผสม LiFePO4, สารยึดเกาะโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) และ SP คาร์บอนดำนำไฟฟ้าที่อัตราส่วนมวล 96.5:2.0:1.5 เติมเอ็น-เมทิลไพร์โรลิโดน (NMP) และเคลือบสารละลายทั้งสองด้านของอลูมิเนียมฟอยล์เคลือบคาร์บอนหนา 13 ไมโครเมตร ด้านบน ให้เตรียมแผ่นอิเล็กโทรดขั้วบวกตามขั้นตอน ความหนาแน่นของพื้นผิว 39.50 มก./ซม.2 คือปริมาณการเคลือบที่สูง และ 35.50 มก./ตร.ซม.2 คือปริมาณการเคลือบผิวที่ต่ำ

ผสมแกรไฟต์เทียม SP คาร์บอนแบล็คนำไฟฟ้า โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส (CMC) และยางสไตรีน-บิวทาไดอีน (SBR) ที่อัตราส่วนโดยมวล 96.5:1.0:1.0:1.5 ใช้น้ำปราศจากไอออนเป็นตัวทำละลาย และเคลือบสารละลายทั้งสองด้าน วาง บนฟอยล์ทองแดงหนา 6μm และเตรียมแผ่นอิเล็กโทรดลบตามกระบวนการของบริษัท ความหนาแน่นของพื้นผิว 18.01 มก./ซม.2 คือปริมาณการเคลือบที่สูง และ 16.17 มก./ตร.ซม.2 คือปริมาณการเคลือบผิวที่ต่ำ

อิเล็กโทรดบวกและลบ (พร้อมปริมาณการเคลือบสูงหรือต่ำในเวลาเดียวกัน) และตัวแยกโพลิเอทิลีน (PE) ถูกสร้างขึ้นในแบตเตอรี่บรรจุภัณฑ์แบบยืดหยุ่น SP4360143 ที่มีความจุพิกัด 4.0Ah ตามกระบวนการผลิต และอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้คือ 1.0 โมล /LLiPF6/EMC +EC+PC (อัตราส่วนมวล 20:10:1)

การทดสอบประสิทธิภาพของอิเล็กโทรด

การทดสอบการยึดเกาะของอิเล็กโทรด: ติดเทปกาวสองหน้า (บริษัท 3M) กับแผ่นสแตนเลสและแผ่นอิเล็กโทรดตามลำดับ ดึงแผ่นอิเล็กโทรดด้วยเครื่องทดสอบแรงดึง และบันทึกค่าแรงดึงระหว่างกระบวนการลอก

ใช้ระบบทดสอบความต้านทานของอิเล็กโทรดเพื่อทดสอบความต้านทานของอิเล็กโทรด ป้อนความหนาของชั้นสารละลายด้านเดียว ความหนาของตัวเก็บกระแสไฟฟ้า และสภาพต้านทานเชิงปริมาตรของตัวเก็บกระแสไฟฟ้า และอนุมานย้อนกลับถึงการกระจายที่เป็นไปได้ตามปริมาตรที่จำกัดวิธี
ความต้านทานของแผ่นอิเล็กโทรดถูกแยกออกและวัดปริมาณเพื่อให้ได้ค่าความต้านทานจำนวนมากของชั้นสารละลายและค่าความต้านทานส่วนต่อประสานของตัวสะสมกระแสของชั้นสารละลาย

ใช้เครื่องทดสอบแบตเตอรี่เพื่อทำรอบการชาร์จ-ดิสชาร์จ 1.00C ที่อุณหภูมิ 45°C และ 55°C กระบวนการชาร์จคือ: ชาร์จที่ 3.65V ด้วยกระแสคงที่ 1.00C จากนั้นชาร์จที่ 0.05C ด้วยแรงดันคงที่ กระบวนการคายประจุคือ: คายประจุไปที่ 2.50V ด้วยกระแสคงที่ 1.00C ยืนนิ่งเป็นเวลา 30 นาทีระหว่างการชาร์จและการคายประจุ

วัดความต้านทานภายใน DC (DCIR) และความต้านทานภายใน AC (ACIR) ด้วยเครื่องทดสอบแบตเตอรี่และเครื่องทดสอบความต้านทานภายในแบตเตอรี่

วัดความหนาของแบตเตอรี่ด้วยเกจวัดความหนาแบบดิจิตอล สัณฐานวิทยาของพื้นผิวของอิเล็กโทรดถูกสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ใช้สเปกโตรมิเตอร์พลังงานเพื่อตรวจจับและวิเคราะห์ประเภทและเนื้อหาขององค์ประกอบชิ้นขั้ว LiFePO4

การคายประจุที่อุณหภูมิสูงและต่ำ: ชาร์จที่กระแสคงที่ 0.33C ถึง 3.65V ที่ 25°C เปลี่ยนเป็นประจุแรงดันคงที่ที่ 0.05C จากนั้นคายประจุที่ 0.33C ถึง 2.50V ที่ 45°C, 25°C และ 0°C หรือที่ -10°C ปล่อยที่ 0.33C ถึง 2.00V ที่ -20°C

การชาร์จที่อุณหภูมิสูงและต่ำ: ชาร์จที่กระแสคงที่ 0.33C ถึง 3.65V ที่ 45°C, 25°C และ 0°C จากนั้นเปลี่ยนเป็นการชาร์จแรงดันคงที่ที่ 0.05C หรือชาร์จที่กระแสคงที่ 0.10C ที่ 3.65V ที่ – 10°C, -20°C V เปลี่ยนเป็นแรงดันไฟคงที่และชาร์จไปที่ 0.05C หลังจากนั้น คายประจุเป็น 2.50V ที่ 0.33C ที่ 25°C

อัตราการคายประจุ: ประจุที่กระแสคงที่ 0.33C ถึง 3.65V ที่ 25°C เปลี่ยนเป็นประจุแรงดันคงที่ที่ 0.05C หลังจากนั้น คายประจุที่ 2.50C ที่ 0.20C, 0.33C, 0.50C, 1.00C และ 2.00C ตามลำดับที่ 25°C โวลต์

อัตราการชาร์จ: ชาร์จที่ 0.20C, 0.33C, 0.50C, 1.00C และ 2.00C ที่อุณหภูมิ 25°C ด้วยกระแสคงที่ที่ 3.65V จากนั้นเปลี่ยนเป็นแรงดันคงที่และชาร์จที่ 0.05C

การจัดเก็บที่อุณหภูมิสูง: หลังจากเก็บแบตเตอรี่ไว้ในตู้อบที่อุณหภูมิ 80°C เป็นเวลา 3 ชั่วโมง 6 ชั่วโมง 3 ชั่วโมง และ 6 ชั่วโมงตามลำดับ ความจุที่เหลืออยู่/การกู้คืนและการทดสอบความต้านทานภายใน AC จะดำเนินการ คายประจุที่ 0.33C ถึง 2.50V ที่อุณหภูมิ 25°C เพื่อให้ได้ความจุที่เหลืออยู่ ชาร์จที่ 3.65V ที่กระแสคงที่ 0.33C เปลี่ยนเป็นแรงดันคงที่และชาร์จที่ 0.05C จากนั้นคายประจุที่ 2.50V ที่ 0.33C เพื่อรับการกู้คืน ความจุ.

หลังจากเก็บแบตเตอรี่ไว้ในตู้อบที่อุณหภูมิ 60°C เป็นเวลา 28 วัน การทดสอบแรงดัน ความต้านทานภายใน ความหนา ความจุที่เหลืออยู่ และความสามารถในการกู้คืนจะถูกดำเนินการ

ผลการทดลองและการอภิปรายสำหรับผลกระทบของการเพิ่มปริมาณการเคลือบ

 การวิเคราะห์อิเล็กโทรด
การยึดเกาะของอิเล็กโทรดเป็นหนึ่งในเงื่อนไขที่สำคัญเพื่อให้มั่นใจถึงอายุการใช้งานที่ยาวนานของแบตเตอรี่ หลังจากเพิ่มปริมาณการเคลือบของอิเล็กโทรดแล้ว การยึดเกาะของอิเล็กโทรดจะไม่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

ความต้านทานของอิเล็กโทรดคือการเชื่อมโยงระหว่างวัตถุดิบและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ และประสิทธิภาพของวัตถุดิบและแบตเตอรี่สามารถตัดสินเบื้องต้นได้จากค่าความต้านทาน แรงยึดเกาะและแรงต้านทานอิเล็กโทรดของอิเล็กโทรดบวกและลบที่เตรียมไว้แสดงให้เห็นว่า

การเกาะกันของขั้วบวกและขั้วลบไม่ลดลงเมื่อปริมาณการเคลือบเพิ่มขึ้น ความต้านทานรวมของชั้นสารละลายและความต้านทานระหว่างชั้นสารละลายและวัสดุฟอยล์เพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้น สันนิษฐานว่าความต้านทานภายใน AC และความต้านทานภายใน DC ของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้น และประสิทธิภาพการชาร์จและการคายประจุจะลดลง

ความต้านทานของอิเล็กโทรดที่เพิ่มขึ้นอาจได้รับผลกระทบจากการลอยตัวของสารยึดเกาะ สารนำไฟฟ้า หรือการรวมตัวกันของสารยึดเกาะในระหว่างกระบวนการเคลือบและการทำให้แห้ง ดังนั้น การวิเคราะห์สัณฐานวิทยาของอิเล็กโทรด LiFePO4 จึงแสดงให้เห็นว่าอนุภาค LiFePO4 กระจายตัวได้ดีและ ไม่พบการรวมตัวกันของสารยึดเกาะ

การวิเคราะห์องค์ประกอบระดับภูมิภาคของอิเล็กโทรด LiFePO4 ที่มีปริมาณการเคลือบสูงและต่ำ ไม่พบปรากฏการณ์ของปริมาณ F ที่เพิ่มขึ้นบนพื้นผิวของชิ้นส่วนขั้ว

 ความต้านทานภายใน DC
DCIR ที่สถานะการชาร์จ (SOC) 50% ของแบตเตอรี่ที่เตรียมด้วยโครงร่างอิเล็กโทรดสองแบบที่อุณหภูมิ 25°C, 0°C และ -20°C

DCIR ของการปล่อย SOC 50% และ 1.00C เป็นเวลา 30 วินาทีเพิ่มขึ้น 5.05%, 11.45% และ 14.59% ที่ 25°C, 0°C และ -20°C ตามลำดับ สาเหตุหลักมาจากปริมาณการเคลือบที่เพิ่มขึ้น ความหนาของอิเล็กโทรดที่เพิ่มขึ้น เส้นทางการแทรกสอดของ Li+ ที่ขยายออกไป และโพลาไรซ์ที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ DCIR เพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิลดลง อัตราการขยายตัวของ DCIR จะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ซึ่งบ่งชี้ว่าปริมาณการเคลือบที่สูงทำให้จลนพลศาสตร์ของการแทรกสอดของ Li+ ต่ำ ซึ่งจะเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ

 การคายประจุและประจุที่อุณหภูมิสูงและต่ำ
หลังจากการทดสอบข้างต้น เปรียบเทียบแพลตฟอร์มแรงดันดิสชาร์จและประจุไฟฟ้าและอัตราส่วนพลังงาน (อิงจาก 25°C) ของแบตเตอรี่ที่เตรียมโดยโครงร่างอิเล็กโทรดทั้งสองที่อุณหภูมิต่างกัน

เมื่อปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้น แพลตฟอร์ม แรงดันดิสชาร์จของแบตเตอรี่ที่แต่ละอุณหภูมิที่วัดได้ในการทดลองจะเพิ่มขึ้นทั้งหมด ตัวอย่างเช่น ที่ 25°C แพลตฟอร์มแรงดันดิสชาร์จเพิ่มขึ้นจาก 3.215V เป็น 3.223V แต่ปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้นไม่มีผลกระทบที่มีนัยสำคัญต่ออัตราส่วนพลังงานที่ปล่อยออกมา (ขึ้นอยู่กับ 25°C)

แท่นชาร์จแรงดันเพิ่มขึ้นไม่เกิน 5mV เมื่อปริมาณการเคลือบเพิ่มขึ้น โดยพิจารณาจากพลังงานที่ปล่อยออกมาที่อุณหภูมิ 25°C เป็นข้อมูลอ้างอิง อัตราการกักเก็บพลังงานที่ปล่อยออกมาที่ทดสอบที่แต่ละอุณหภูมิแทบไม่มีผลกระทบใดๆ และอัตราส่วนของพลังงานที่คายประจุที่ -20°C จะลดลง 1.6% เท่านั้น โดยทั่วไป การเพิ่มปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดมีผลเพียงเล็กน้อยต่อประสิทธิภาพการชาร์จที่อุณหภูมิสูงและต่ำ

อัตราการคายประจุและการชาร์จ
ผลการเปรียบเทียบแท่นจ่ายแรงดันของแบตเตอรี่ที่เตรียมโดยโครงร่างอิเล็กโทรดทั้งสองแสดงให้เห็นว่าปริมาณการเคลือบของอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้น และการคายประจุอย่างต่อเนื่องที่กระแส 0.20C, 0.33C และ 0.50C แท่นจ่ายแรงดันจะลดลงโดยไม่มี มากกว่า 1mV ที่กระแส 1.00C และ 2.00C การคายประจุอย่างต่อเนื่อง แรงดันไฟฟ้าที่ราบสูงการคายประจุลดลง 4mV และ 9mV และอัตราการกักเก็บพลังงานลดลง 0.16% และ 0.17% ตามลำดับ

สาเหตุหลักมาจากการเติบโตของเส้นทางการแทรกระหว่าง Li+ ที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของปริมาณการเคลือบ การเพิ่มความเข้มข้นของโพลาไรเซชัน และการเพิ่มขึ้นของความต้านทานการแทรกระหว่าง Li+ ในระหว่างการใช้งานจริงของรถยนต์กระแสไฟที่ปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่องส่วนใหญ่จะไม่เกิน 0.50C ดังนั้นปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดที่เพิ่มขึ้นจึงสามารถตอบสนองความต้องการด้านแรงดันไฟฟ้าและพลังงานของแบตเตอรี่ได้

การเปรียบเทียบแท่นชาร์จแรงดันและความสามารถในการชาร์จของส่วนกระแสคงที่ของแบตเตอรี่ที่เตรียมโดยโครงร่างอิเล็กโทรดทั้งสอง จะเห็นได้ว่าการเพิ่มขึ้นของปริมาณการเคลือบของอิเล็กโทรดทำให้แท่นชาร์จแรงดันเพิ่มขึ้นและความจุกระแสคงที่ อัตราส่วนจะลดลง แท่นชาร์จแรงดัน 0.33C เพิ่มขึ้น 4mV และความจุกระแสคงที่ 1.00C และ 2.00C แท่นชาร์จแรงดันเพิ่มขึ้น 7mV และ 13mV ตามลำดับ และอัตราส่วนความจุกระแสคงที่ลดลง 0.4% และ 0.9% ซึ่งอาจทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นระหว่างการชาร์จ

 การเก็บรักษาในอุณหภูมิสูง
หลังจากเก็บแบตเตอรี่ไว้ในตู้บ่มเพาะที่อุณหภูมิ 80°C ผลการทดสอบอัตราความจุที่เหลืออยู่ (การกู้คืน) และความต้านทานภายใน AC คือ:

เมื่อปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้น หลังจากผ่านไป 18 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 80°C ทั้งอัตราความจุที่เหลืออยู่และอัตราการกู้คืนความจุจะเพิ่มขึ้น 0.5% ซึ่งมีผลเพียงเล็กน้อยต่อความต้านทานภายในและแรงดันตก หลังจากเก็บแบตเตอรี่ไว้ในตู้อบที่อุณหภูมิ 60°C ผลลัพธ์ของแรงดันไฟฟ้า ความต้านทานภายใน ความหนา ความจุที่เหลืออยู่ และความสามารถในการกู้คืนจะแสดง:

เพิ่มปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรด หลังจาก 60°C และ 28 วัน อัตราความจุที่เหลืออยู่เพิ่มขึ้น 0.40% อัตราการกู้คืนความจุเพิ่มขึ้น 0.40% ความต้านทานภายในและแรงดันตกมีผลเล็กน้อย แต่ความหนาเพิ่มขึ้นประมาณ 4.4% ผลลัพธ์ของการจัดเก็บที่อุณหภูมิ 60°C นั้นสอดคล้องกับอุณหภูมิ 80°C อาจเป็นไปได้ว่าอิเล็กโทรดที่มีปริมาณการเคลือบสูงนั้นค่อนข้างยากในการทำให้ความชื้นแห้ง สำหรับอิเล็กโทรดที่มีปริมาณการเคลือบสูง กระบวนการทำให้แห้งก่อนการฉีดแบตเตอรี่จำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิเพื่อขจัดความชื้นในแบตเตอรี่

 วงจรชีวิต
เพิ่มปริมาณการเคลือบ สำหรับชิ้นเสาที่มีการยึดเกาะไม่ดี วัฏจักรที่อุณหภูมิสูงอาจทำให้ชั้นสารละลายและตัวสะสมกระแส “หลุดลอก” และแยกออกจากกัน ส่งผลให้ไม่สามารถใช้วัสดุที่ใช้งานบางอย่างได้อย่างเต็มที่และการลดทอนความจุอย่างรวดเร็ว ในการทดลองได้รักษาการยึดเกาะที่ดีของชิ้นเสาโดยใช้สารประสานและปรับความหนาแน่นของการบดอัด

หลังจากเพิ่มปริมาณการเคลือบแล้ว จะไม่มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพวงจรของแบตเตอรี่ที่ 45°C และ 55°C ที่อุณหภูมิสูง 1.00C ในแง่หนึ่ง ความหนืดของอิเล็กโทรไลต์จะต่ำที่อุณหภูมิสูง และอิมพีแดนซ์ของแบตเตอรี่จะลดลง ซึ่งทำให้อิมพีแดนซ์อ่อนตัวลงเนื่องจากปริมาณการเคลือบที่เพิ่มขึ้น พื้นที่สัมผัสระหว่างแผ่นกับอิเล็กโทรไลต์จะลดลง ซึ่ง มีประโยชน์ในการลดปฏิกิริยาข้างเคียงและทำให้อิทธิพลของอิเล็กโทรดที่มีต่อแบตเตอรี่อ่อนลง

การเพิ่มปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดส่งผลต่อความต้านทานภัยในของแบตเตอรี่

ปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรด

การทดลองนี้เริ่มต้นด้วยปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดเพื่อตรวจสอบผลกระทบของการเพิ่มปริมาณการเคลือบที่มีต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ เพื่อลดปริมาณของฟอยล์ ตัวกั้น ฯลฯ และเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่

การเพิ่มปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดมีผลเพียงเล็กน้อยต่อการยึดเกาะของชิ้นส่วนขั้ว แต่ความต้านทานของชิ้นส่วนขั้วไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ซึ่งส่วนใหญ่ส่งผลต่อความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ ส่งผลให้แท่นจ่ายแรงดันลดลงและการคายประจุลดลง พลังงาน พลังงานที่ปล่อยออกมาที่อุณหภูมิต่ำจะลดลงมากที่สุด ประมาณ 1%~2%

เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบ soft-pack การชาร์จแบตเตอรี่และคายประจุของแบตเตอรี่กล่องอะลูมิเนียมแบบสี่เหลี่ยมจะทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น ดังนั้น ระบบบรรจุภัณฑ์แบบยืดหยุ่นจึงถูกเปลี่ยนเป็นแบตเตอรี่กล่องอะลูมิเนียมแบบสี่เหลี่ยม ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ความต้านทานภายในของ แบตเตอรี่มีขนาดใหญ่ แท่นปล่อยแรงดันไฟลดลง และพลังงานคายประจุลดลง สถานการณ์อาจดีขึ้น

ระบบอิเล็กโทรดที่มีปริมาตรการเคลือบสูงสามารถปรับปรุงได้โดยการปรับอิเล็กโทรไลต์ให้เหมาะสม และจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบโดยอิเล็กโทรไลต์ที่เกี่ยวข้องซึ่งตรงกับอิเล็กโทรดหนา