Describa brevemente la fractura de la lámina de cobre en la batería de iones de litio durante la extrusión

Para las baterías de potencia, la seguridad y el rendimiento eléctrico son igualmente importantes. Si ocurre un accidente de alta energía, como una colisión, durante el uso de un vehículo eléctrico, la batería de iones de litio puede deformarse gravemente y causar serios problemas de seguridad, como un cortocircuito interno de la batería de iones de litio. Cuando se produce un cortocircuito interno en la batería de iones de litio, el 70% de la energía de todo el conjunto de baterías se liberará a través del punto de cortocircuito dentro de los 60 segundos, lo que provocará un rápido aumento de la temperatura local y luego provocará la descomposición de los positivos. y sustancias activas negativas y electrolitos, etc., lo que da como resultado una fuga térmica de la batería de iones de litio.

Para garantizar la seguridad de las baterías de iones de litio en las condiciones anteriores, se diseñó una prueba de extrusión severa para investigar el desempeño de seguridad de las baterías de iones de litio en caso de una gran deformación. Los estudios han demostrado que durante la prueba de extrusión, primero se producirá la deformación y el desplazamiento uniforme del electrodo. A medida que aumenta el grado de deformación, el colector de corriente se deslizará a lo largo de la línea de deslizamiento de 45 grados. Finalmente, el diafragma está demasiado deformado. Esto hace que el diafragma falle, provocando que se produzca un cortocircuito en un área más grande.

Una vez que ocurre el cortocircuito interno, la batería de iones de litio puede estar fuera de control y la alta temperatura quemará la batería. Incluso si no hay una fuga térmica, la alta temperatura local aún derretirá el colector de corriente, el diafragma, etc., por lo que la batería de iones de litio se exprime. Los cambios estructurales en las pruebas siempre han sido una dificultad.

HsinWang y col. del Laboratorio Nacional Oak Ridge en los Estados Unidos utilizó la tecnología 3DXCT para estudiar los cambios en la estructura interna de las baterías de iones de litio durante la prueba de extrusión. Se descubrió por primera vez que las láminas de cobre producían fragmentos microscópicos durante las pruebas de extrusión, y estos fragmentos eran difíciles. Se ha descubierto mediante microscopía óptica y electrónica convencional que estos fragmentos de lámina de cobre ocultos pueden tener un impacto significativo en el rendimiento eléctrico y el comportamiento de fuga térmica de las baterías de iones de litio, lo que merece un estudio más detenido.

En el experimento se utiliza la batería comercial de óxido de cobalto y litio. El núcleo de la batería adopta una estructura sinuosa con un tamaño de 30 mm, 40 mm, 4,5 mm. Con el fin de garantizar que la batería de iones de litio no tenga un escape térmico durante la prueba de extrusión, HsinWang controla el consumo de energía de la batería. Dentro del 10% de SoC, la siguiente figura muestra la estructura de la batería después de presionarla y probarla. La estructura interna de la batería no se muestra en la Figura c. La figura d muestra la estructura interna de la batería después de la prueba de extrusión. Después de la prueba de extrusión, los electrodos se doblaron y arrugaron simétricamente, y algunas de las capas de electrodos se doblaron para crear un gran espacio entre las capas de electrodos.

La siguiente figura es una imagen parcialmente ampliada. Puede observarse en la figura que el electrodo ha sufrido un plegado y una deformación severos en la dirección de la incisión. Puede verse en la comparación de la Figura cy la Figura d que la batería tiene una gran cantidad de superficie de lámina de cobre después de la extrusión. Grieta.

La batería después del experimento anterior fue desmontada, como se muestra en la siguiente figura, se puede ver que hay un punto de cortocircuito en la posición intermedia donde se realiza la extrusión, pero no ocurre ningún fenómeno de fisura obvio al observar ópticamente la superficie de el electrodo negativo.

Sin embargo, mediante la técnica de radiografía de rayos X, se observó un gran número de grietas en la lámina de cobre como se muestra en la siguiente figura b, pero cuando se observó el electrodo anterior mediante SEM, solo se observó una pequeña cantidad de rotura del electrodo. Esto indica que aunque la lámina de cobre genera una gran cantidad de grietas, dado que el recubrimiento del electrodo negativo de grafito es grueso, la superficie del electrodo no presenta grietas obvias. Por tanto, la rotura de la lámina de cobre no se puede observar bien mediante óptica y SEM. Sin embargo, la penetración de los rayos X es muy buena, el grafito difícilmente bloqueará los rayos X y la lámina de cobre bloqueará eficazmente los rayos X. Por lo tanto, la tecnología de imágenes de rayos X puede mostrar bien la fractura de la lámina de cobre cuando se aprieta.

La razón de la grieta en la hoja de cobre puede ser porque la tenacidad de la hoja de cobre es pobre y es muy probable que se produzcan grietas cuando se presiona en dirección vertical. En cuanto a la causa de la fragilización de la lámina de cobre, se necesita más investigación, que puede estar relacionada con el procesamiento y el fresado de electrodos. Está relacionado con la tensión residual durante el proceso de prensado. La lámina de cobre rota puede tener los siguientes efectos en las baterías de iones de litio.

1) Primero, la lámina de cobre rota no puede asumir la función del colector de corriente, lo que resulta en la pérdida de conexión efectiva entre el material activo local y la red conductora.

2) El material activo y el electrolito se llenan en los huecos de la lámina de cobre rota, pero no son buenos conductores electrónicos y conductores de calor, por lo que cuando ocurre un cortocircuito aquí, el calor es difícil de conducir rápidamente.

3) El área a exprimir, debido a que el contacto entre el material activo y la red conductora se deteriora, lo que resulta en una disminución de la actividad o una falta de participación en la reacción de carga y descarga, lo que resulta en una disminución de la capacidad del litio. batería de iones.

4) La lámina de cobre rota reducirá las propiedades mecánicas del electrodo negativo.

5) El fallo final de la batería en la prueba de extrusión se debe principalmente al fallo del electrodo positivo y del diafragma.

6) En la etapa inicial de la aparición del cortocircuito, principalmente el material activo de lámina de Al / electrodo positivo entra en contacto con el chip de lámina de cobre / material activo de grafito del electrodo negativo.

La investigación anterior es de gran ayuda para que comprendamos el mecanismo de fuga de calor de las baterías de iones de litio en caso de abuso mecánico, y también para juzgar si las baterías de iones de litio pueden seguir utilizándose después de un daño mecánico. Se necesitan más investigaciones sobre el mecanismo de generación de grietas de la lámina de cobre durante la extrusión.

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