Rendimiento de la batería de iones de litio: efecto uniforme de infiltración de electrolitos

En los años de experiencia laboral, he resumido una palabra que es crucial para las baterías de iones de litio: "incluso". ¿Por qué es tan importante esta palabra? Desde la perspectiva de todo el proceso de producción de baterías de litio, el primero es el proceso de homogeneización. El propósito de la homogeneización es mezclar los componentes del material activo, el agente conductor y el aglutinante “uniformemente” (marcado); seguido de recubrimiento. La clave del proceso es asegurar la "uniformidad" de la cantidad de recubrimiento, para evitar problemas como la mala consistencia del producto causada por la fluctuación de la cantidad de recubrimiento; luego, el proceso de inyección de líquido, y también para asegurar la infiltración "uniforme" del electrolito dentro de la celda para asegurar el rendimiento de la batería y su ciclo de vida; lo más importante en el proceso de producción de los módulos de batería es la uniformidad de las celdas individuales, es decir, la "uniformidad" para garantizar el pleno rendimiento del paquete de baterías.

Cómo asegurarse de que el electrolito se infiltre completa y uniformemente en la celda de la batería de litio es un problema que ha plagado la producción de baterías de litio durante muchos años. Numerosos ingenieros de baterías de litio han hecho un gran esfuerzo por ello. El ingeniero de la empresa alemana Bosch WJ Weydanz et al. [1] usa neutrones. La tecnología de difracción observó con éxito el proceso de infiltración del electrolito dentro de la batería de iones de litio de empaque suave (como se muestra en la figura siguiente, inyección al vacío a, b, c, inyección atmosférica d, e, f), puede ver la inyección para 2min La mayor parte del electrolito aún permanece fuera de la celda. Después de 47 minutos, la batería inyectada al vacío está básicamente infiltrada, pero la batería de iones de litio en la inyección a presión atmosférica todavía tiene una parte considerable de la posición intermedia. La celda no está infiltrada. Queda una gran cantidad de electrolito en el exterior. La investigación de WJ Weydanz muestra que la inyección al vacío puede reducir el tiempo de inyección de la batería de iones de litio en un 50% y aumentar la tasa de inyección en un 10%, lo que es de gran importancia para mejorar la calidad y la eficiencia de la inyección.

Generalmente, creemos que la gravedad tiene cierta influencia en la humectabilidad de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, para garantizar el efecto de infiltración, es necesario "dar la vuelta" periódicamente a la batería de iones de litio después de la inyección, pero WJWeydanz analiza las direcciones superior e inferior. La velocidad de infiltración, se comprueba que la influencia de la gravedad en el proceso de infiltración del electrolito es mínima, y la influencia de la gravedad en la infiltración de la batería de iones de litio se puede ignorar básicamente.

La inyección al vacío puede mejorar la humectabilidad de las baterías de iones de litio y aumentar la cantidad de inyección de líquido. Se ha convertido en el consenso de la industria, pero ¿qué tipo de sistema de inyección al vacío puede maximizar el efecto de la inyección al vacío? Con este fin, Thomas Knoche et al. [2] de la Universidad Técnica de Munich analizó el efecto del sistema de vacío sobre el efecto de la inyección de líquido. La principal diferencia entre los dos procesos de vacío a continuación es el grado de vacío y el tiempo de sellado.

Thomas Knoche obtuvo los datos de la tasa de infiltración analizando la proporción del área infiltrada. La siguiente figura muestra la relación entre la condición de infiltración y el tiempo después de la inyección de líquido en los dos sistemas de vacío. En la Fig. A, se puede ver que el número de vacíos después de la inyección es alto. En el sistema B, la tasa de infiltración promedio fue del 78,73% a los 850 s, y la tasa de infiltración promedio de los 850 en el sistema A con menos vacío después de la inyección fue del 73,18%, lo que indica que varios vacíos después de la inyección son beneficiosos para la infiltración de electrolitos. efecto.

La figura b a continuación muestra la relación entre la tasa de infiltración celular y el tiempo después de la inyección de líquido bajo diferentes grados de vacío. Las tasas de infiltración final de las células después de la inyección a 50 mbar, 400 mbar y 900 mbar son 82,3%, 77,9% y 70,1%, respectivamente. El vacío del líquido tiene un efecto significativo sobre el efecto de humectación, cuanto mayor sea el grado de vacío en el momento de la inyección del líquido, mejor será el efecto del electrolito final en la celda.

A continuación, presentamos algunos beneficios para todos. El siguiente video es todo el proceso de infiltración de electrolitos observado por Thomas Knoche a través de la tecnología de difracción de neutrones. Esta es también la primera vez que Xiaobian vio el proceso de infiltración de electrolitos en la celda. Soy útil para todos los ingenieros de baterías de litio.

Los amigos que no ven suficiente tráfico de video pueden aprender rápidamente sobre esta animación:

Además de la mejora del proceso de inyección de líquido, la elección del diafragma también tiene un efecto significativo en la mejora del efecto de humectación del electrolito. Los separadores de baterías de iones de litio comunes son en su mayoría diafragmas de estructura compuesta de PE, PP de una sola capa o multicapa, que tienen muy buenos diafragmas. Estabilidad, y por lo tanto ampliamente utilizada, pero esta membrana de polímero no polar es incompatible con disolventes de carbonato cíclico polar (como EC, PC), lo que resulta en una humectabilidad entre el electrolito y la membrana Muy pobre, también afecta directamente el efecto de infiltración del electrolito en el núcleo.

Para mejorar el efecto de infiltración de la membrana y el electrolito, Ethan Rao et al. [3] de la Universidad de California, EE.UU., mejoró en gran medida el electrolito al recubrir una capa de azida de perfluorofenilo PFPA en la superficie de una membrana de polímero común que humedece entre las membranas. La siguiente figura muestra el contraste del separador tratado y el diafragma común en diferentes electrolitos. En la figura podemos ver que el separador de PE de una sola capa ordinario tiene muy poca humectabilidad en el electrolito, especialmente en el polo. En las últimas formulaciones de electrolitos, el electrolito y la membrana de PE apenas se humedecen, pero después del tratamiento con PFPA, la membrana de PE puede infiltrarse completamente en todas las formulaciones de electrolitos y el efecto es muy obvio. El separador compuesto de tres capas PP / PE / PP también presenta un patrón similar, que mejora en gran medida el efecto de infiltración del electrolito después del tratamiento de la superficie. La siguiente tabla muestra los datos de altura de ascenso del electrolito para el diafragma común y el diafragma tratado. Puede verse que la membrana tratada en la superficie tiene una ventaja muy significativa en la altura de ascenso del electrolito, lo que demuestra una vez más que se mejora el tratamiento de modificación de la superficie del diafragma. La humectabilidad del electrolito tiene un efecto muy significativo.

La buena humectabilidad del separador puede mejorar significativamente el rendimiento de la batería de iones de litio. El primero es reducir la resistencia interna. Como puede verse en la siguiente figura A, el PE y PP tratados se comparan con la membrana de PE sin tratamiento superficial. La resistencia interna del separador / PE / PP se reduce significativamente. También se puede ver en el rendimiento de la velocidad en la Figura B que el separador de PE tratado superficialmente tiene una ventaja significativa en el rendimiento de la velocidad en comparación con el separador de PE sin tratar, incluso si la membrana compuesta de tres capas de PP / PE / PP pasa a través del PFPA superficie. El rendimiento de la velocidad también mejoró significativamente después del tratamiento, incluso superando al separador de una sola capa de PE sin tratar con algunos aumentos.

Cómo mejorar el efecto de infiltración del electrolito en la celda es un factor clave que afecta el rendimiento de la velocidad de la batería de iones de litio, el ciclo, etc. La investigación de WJWeydanz muestra que la inyección al vacío puede acortar significativamente el tiempo de inyección y mejorar la calidad de la inyección, mientras que Thomas Knoche más analizado La influencia del sistema de vacío en el efecto de inyección de líquido indica que cuanto mayor es el grado de vacío de la inyección de líquido y más vacío antes del sellado, mejor es el efecto de infiltración del núcleo de la batería final. EthanRao mejora en gran medida la humectabilidad de las membranas de polímero ordinarias mediante el tratamiento de modificación de la superficie del separador, que reduce significativamente la resistencia interna de la batería de iones de litio y mejora el rendimiento de la batería. Todas estas tareas tienen un solo propósito: garantizar que el electrolito pueda "suavizar" las células infiltradas y mejorar el rendimiento de la batería de iones de litio.

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