Describa brevemente el papel de los aglutinantes en el deterioro de las baterías de iones de litio.

La mayoría de los estudios sobre el mecanismo de degradación de las baterías de iones de litio se concentran en materiales positivos y negativos. Por ejemplo, muchos estudios han demostrado que la pérdida de material activo, el aumento de la resistencia interna y otros factores son los principales factores que provocan el declive de las baterías de iones de litio, mientras que el aglutinante está en el litio. Todavía hay poca investigación sobre el papel que juega el decaimiento de la batería de iones. De hecho, aunque el aglutinante es pequeño en las baterías de iones de litio (generalmente menos del 5% del activo), el aglutinante juega un papel crucial. En una batería de iones de litio, la función del aglutinante es unir las partículas de material activo y las partículas de agente conductor para formar un sistema estable. Sin embargo, en el proceso de carga y descarga, hay ciertos cambios de volumen en los electrodos positivo y negativo, que destruirán esta estructura estable. Por ejemplo, el caso más común es el que se muestra en la siguiente figura, agente adhesivo / conductor y partículas de material activo. La estratificación ocurre entre ellos, lo que resulta en la pérdida de material activo, provocando una disminución en la capacidad reversible de la batería de iones de litio.

Para analizar el papel del adhesivo en el declive de las baterías de iones de litio, la Universidad de Portsmouth (ven, todos leen conmigo: "Portsmouth", no hay sensación de B-box) JMFoster aprobó el método modelo que se estableció para Estudiar el efecto de la forma de las partículas y la velocidad del ciclo del material activo sobre las características de unión del adhesivo. Los estudios han demostrado que las partículas ovaladas pueden aumentar significativamente la tensión en las partes superior e inferior de las partículas después de que el adhesivo absorbe la expansión del electrolito. La gran tasa de carga-descarga (más de 1C) también aumenta significativamente la tensión del aglutinante en los lados izquierdo y derecho de las partículas de material activo, lo que afecta el rendimiento del ciclo de la batería.

El modelo de JMFoster consta principalmente de tres hipótesis: 1) el electrodo consta de partículas esféricas de material activo y adhesivo poroso elástico, los microporos del adhesivo están llenos de electrolito; 2) las partículas de material activo se producirán durante el proceso de inserción y eliminación del litio. Expansión de volumen; 3) La expansión del adhesivo ocurre después de que el adhesivo entra en contacto con el electrolito.

De acuerdo con las suposiciones anteriores, JMFoster utiliza métodos matemáticos para modelar el motor (dado que el proceso de modelado ha sido diseñado con una gran cantidad de conocimientos mecánicos, no soy un profesional mecánico aquí y no hay forma de ir a la puerta, los amigos interesados pueden ver el texto original), veamos directamente los resultados del modelo.

En el electrodo real, hay decenas de millones de partículas de material activo y una gran cantidad de adhesivo. Obviamente, no es realista resolver todo el electrodo directamente. Por lo tanto, JMFoster adopta un método simplificado. JMFoster piensa que, excepto por la posición del borde del electrodo, la fuerza dentro del electrodo es muy uniforme, por lo que podemos simplificar el proceso de solución de todo el electrodo para resolver las partículas individuales de material activo y el adhesivo a su alrededor, lo que simplifica enormemente la solución. proceso del modelo.

La Figura a a continuación muestra la distribución de tensión del aglutinante alrededor de las partículas de material activo después de la absorción del electrolito, y la Figura c a continuación muestra la adhesión de los puntos P y E de las partículas de material activo después de que se absorbe el electrolito. En el gráfico, podemos ver que la deformación en el punto P cerca de la superficie del electrodo y el colector de corriente aumenta después de la expansión de la solución de absorción de aglutinante y la deformación en el punto E en los lados izquierdo y derecho de la partícula. Disminuyendo, debido a la fluidez del aglutinante, el aglutinante es empujado desde la parte superior e inferior de las partículas de material activo a ambos lados del material activo bajo la acción de la tensión.

La Figura b a continuación muestra la distribución de la deformación del adhesivo circundante durante el cambio de volumen de las partículas de material activo. Se puede observar en la figura que la distribución de la tensión del aglutinante causada por el cambio de volumen del material activo es casi uniforme, pero un estudio cuidadoso aún encuentra que la tensión del adhesivo en los lados izquierdo y derecho del material activo es aún mayor que el tensión del adhesivo en los extremos superior e inferior del material activo, lo que indica que es más probable que el adhesivo en los lados izquierdo y derecho de las partículas de material activo se estratifique durante la circulación. Sin embargo, de hecho, debemos tener en cuenta que dado que el cambio de volumen del material activo positivo durante el ciclo es muy pequeño (NMC es 2-4%), el cambio en la deformación del aglutinante causado por la expansión de volumen de las partículas del material activo es en realidad mucho más pequeño que el debido al PVDF, la expansión de volumen causada por la absorción del adhesivo.

El análisis anterior fue para partículas esféricas y, en la práctica, las partículas que usamos tenían muchas otras formas, por lo que JMFoster analizó los efectos de diferentes formas de partículas en la deformación del adhesivo. La siguiente figura muestra el efecto de diferentes formas de partículas en la distribución de la deformación después de que se absorbe el adhesivo. A partir de los resultados del cálculo, la deformación adhesiva de las partículas elípticas en el punto P es positiva y la viscosidad en el punto E. La deformación del nudo es negativa, lo que concuerda con el análisis anterior. Al mismo tiempo, se puede ver en la siguiente figura que la dirección de alineación de las partículas elípticas también afecta la deformación del adhesivo. Cuando el lado más largo de la elipse es paralelo a la superficie del electrodo, la tensión del adhesivo aumenta significativamente.

La siguiente figura muestra la deformación del adhesivo a diferentes velocidades de carga (la Figura a es la deformación del adhesivo en el electrodo positivo, la Figura b es la deformación del adhesivo en el electrodo negativo) y la velocidad de carga más lenta utilizada en el cálculo se requiere. La carga se completa a las 3100 h, y la velocidad de carga más rápida solo necesita 0,031 h para completar la carga. Puede verse en la figura que la alta velocidad de carga aumentará significativamente la tensión del adhesivo en la posición de la partícula de material activo E, dando como resultado adhesivo y actividad. El problema de la estratificación de partículas de materia en general, la carga rápida que exceda la tasa de 1C causará daños a los adhesivos positivos y negativos, afectando así la vida útil de la batería de iones de litio.

El trabajo de JMFoster nos permite tener una comprensión clara de la distribución de deformación del adhesivo alrededor de las partículas de material activo a nivel microscópico y los factores que afectan la distribución de deformación del adhesivo: la forma de las partículas de material activo y la carga y tasa de descarga La discusión en profundidad tiene cierta importancia orientadora para el diseño de materiales de electrodos y el diseño de formulación de baterías de iones de litio.

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