Korrelationsanalyse zwischen Lithium-Elektrodenwiderstand und Walzenverdichtung
UND
Der Elektrodenplattenwiderstand stellt die elektronische Leitfähigkeit der Elektrodenplatte dar, und dieser Parameter steht in engem Zusammenhang mit der Verdichtungsdichte, Porosität, Formulierung usw. Wenn der Pol im Vorbereitungsprozess nach unterschiedlichem Walzendruck verändert wird, ändert sich die Oberflächenrauheit und Verdichtung Die Dichte des Kontakts zwischen aktiven Partikeln im Pol hat einen gewissen positiven Effekt auf die Leitfähigkeit und die Verbesserung der Volumenenergiedichte der Zelle, aber im Prozess des Walzendrucks werden die Partikel im Pol zusätzlich zur Längsextrusion auch durch Die seitliche Scherkraft kann die Neuordnung der Partikel bewirken.
Beim Testen des Elektrodenwiderstands der Elektrode stehen die obere und untere Elektrode senkrecht zur Oberfläche der Elektrode, und das angelegte elektrische Signal verläuft senkrecht durch die Poloberfläche der anderen Seite der Elektrode, wodurch einerseits die Leitfähigkeit gemessen wird Die Partikel selbst umfassen andererseits auch den Kontaktwiderstand zwischen den Partikeln und den Partikeln. Daher werden mit der Erhöhung der Walzenverdichtungsdichte die positiven und negativen Elektroden unterschiedlicher Systeme.
1. Experimentelle Ausrüstung und Testmethoden
1.1 Experimentelle Ausrüstung:Batterieelektroden-Widerstandsanalysator，BER1300 (IEST), Elektrodendurchmesser von 14 mm, kann einen Druck von 5 bis 60 MP a ausüben.
Die Ausrüstung ist in Abbildung 1 (a) und 1 (b) dargestellt.
Abbildung 1. (a) BER1300-Erscheinungsbilddiagramm; (b) BER1300-Strukturdiagramm
1.2 Probenvorbereitung:Einpolige Folie wird vorbereitet, das Aufschlämmungsverhältnis ist entsprechend, negatives Pulver: SP: CMC=90:5:5, positives Pulver: SP: PVDF=96,5:1,5:2, nach dem Beschichten und Trocknen wird die Walzenpresse mit unterschiedlichem Druckwalzendruck verwendet , Bereiten Sie unterschiedliche Verdichtungsdichten der Polplatte vor.
1.3 Testmethode:Schneiden Sie das zu messende Elektrodenstück vor und nach dem Rollendruck in eine rechteckige Größe von etwa 5 cm x 10 cm, legen Sie es auf den Probentisch und stellen Sie die Parameter wie Testdruck und Druckhaltezeit in der M RMS-Software ein, um den zu starten prüfen. Die Software liest automatisch die Daten zu Elektrodendicke, Widerstand, Widerstand und Leitfähigkeit.
2. Datenanalyse
Der Widerstandstest wird vor dem Rollendruck der einseitigen positiven und negativen Elektrodenfolie und nach unterschiedlichen Rollendrücken durchgeführt. Die Datenergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt. Aus dem Ergebnistrend, mit der Verdichtungsdichte der Rolle, und nur über 1,63 g/ Unter Bedingungen der cm³-Verdichtungsdichte beträgt die Verdichtungsdichte der ternären NCM-Platte 1,60 g/cm³, der entsprechende spezifische Widerstand ist relativ gering. Nach dem Walzendruck zeigt der spezifische Widerstand den Trend des ersten Anstiegs und Abfalls, Lithium-Kobaltoxid-LCO und Lithium Der Widerstandstrend der Eisenphosphat-L-FP-Elektrode ähnelt den drei Dichtepunkten vor dem ersten Verdichtungspunkt nach der Walze und unterscheidet sich nicht.
Die internen Elektronen der Batterieelektrodenbeschichtung werden auch hauptsächlich durch feste Pulverpartikel übertragen, einschließlich der Leitfähigkeit der aktiven Partikel, der Leitmittelpartikel selbst, bezogen auf die Struktur des Materials und den Kontaktwiderstand zwischen festen Partikeln, den Kontaktwiderstand zwischen aktiven Partikeln und zwischen aktiven Partikeln und zwischen leitfähigen Wirkstoffpartikeln. Bei der positiven Elektrode ist die Elektronenleitfähigkeit des Aktivmaterials viel geringer als die der Leitmittelpartikel, und die Leitfähigkeit des Aktivpartikels ist nahezu vernachlässigbar. Die negative Graphitelektrode selbst weist ebenfalls eine gute elektrische Leitfähigkeit auf, und sowohl die aktiven Partikel als auch das leitfähige Mittel sind der Hauptweg für die Elektronenleitung. Für den Kontaktwiderstand zwischen Partikeln gilt
Der Walzendruck verändert den spezifischen Widerstand des aktiven Materials und des leitfähigen Mittels selbst kaum, sondern nur die Partikelkontaktfläche und der Grenzflächenzustand ändern sich durch die Neuanordnung der Partikel und wirken sich somit auf den Grenzflächenwiderstand aus. Darüber hinaus umfasst der getestete Widerstand der Elektrodenplattenbeschichtung neben dem Widerstandsprozess des Elektrodenplattenwiderstandstests auch den Grenzflächenwiderstand der Beschichtung und des Flüssigkeitssammlers sowie den Kontaktwiderstand zwischen der Sonde und der Beschichtung usw. Es wird allgemein angenommen, dass der Walzendruck die Verdichtungsdichte der Beschichtung erhöht, die Kontaktfläche zwischen den Partikeln vergrößert und somit die Leitfähigkeit erhöht. Die tatsächlichen Testergebnisse sind jedoch komplizierter. Nächste,
Abbildung 2. Trenddiagramm des Polschichtwiderstands vor und nach unterschiedlichen Drücken der positiven und negativen Polrolle
Durch die Querschnitts-REM-Beobachtung der drei Graphitpolplatten mit unterschiedlichen Verdichtungsdichten ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Walzendruck die ursprüngliche Kreuzanordnungsstruktur der Graphitplatten dazu neigt, parallel angeordnet zu werden. Bei Graphitmaterialien besteht die Kristallstruktur aus einer parallelen Anordnung sechseckiger Kohlenstoffschichten, die in eine Ebene und eine Endoberfläche unterteilt sind. Die meisten Lithiumionen werden von der Endoberfläche in die Graphitschicht eingebettet. Darüber hinaus sind die Kohlenstoffatome zwischen der Graphitschicht mit drei Elektronen mit kovalenten Bindungen der SP2-Hybridisierung verbunden, und das verbleibende π-Elektron kann sich frei bewegen, um eine gute Elektronenleitfähigkeit zu erzielen, weist jedoch eine erhebliche Anisotropie auf und weist entlang der SP2-Hybridisierung eine gute elektronische Leitfähigkeit auf Ebenenrichtung,
Wenn das Graphitelektrodenblatt durch den Walzendruck läuft, sind daher mehr Ebenen parallel zur Oberfläche des Elektrodenblatts, wodurch es für den Strom senkrecht zum Elektrodenblatt, der während des Elektrodenschichtwiderstandstests angelegt wird, schwieriger wird, die Beschichtung des Elektrodenblatts in Längsrichtung zu durchdringen. Daher erhöht sich der Widerstand mit zunehmendem Rollendruck. Andererseits wird mit zunehmender Verdichtungsdichte der Kontakt zwischen den Graphitpartikeln und den Leitmittelpartikeln dichter, was den Widerstand verringert und die beiden Paare den Widerstand der Elektrodenfolie beeinflussen. Daher ist der Einfluss des eigentlichen Walzendruckvorgangs auf den Polschichtwiderstand sehr komplex, Dies muss in Kombination mit den spezifischen Materialmorphologieeigenschaften und der Mikrostruktur des Polblechs analysiert werden. Einerseits kann der Elektrodenwiderstand durch die elektronischen Übertragungseigenschaften in Kombination mit der Mikrostruktur analysiert werden; Andererseits kann der Elektrodenwiderstandstest die Gleichmäßigkeit derselben Elektrodengruppe beschreiben, um die Gleichmäßigkeit des Elektrodenwiderstands zu bewerten.
Abbildung 3. Schnittbild der Graphitelektrodenplatte mit unterschiedlichen Verdichtungsdichten
Abbildung 4. Diagramm der Graphitkristallstruktur und -morphologie¹
Bei drei Sätzen positiver Elektroden ist der gemessene Widerstand der Elektroden nach einem geringeren Anpressdruck größer als der Polplattenwiderstand vor dem Anpressdruck. Wie oben beschrieben, wird die Elektronenleitfähigkeit der Elektrodenplatte hauptsächlich durch die Elektronenleitung zwischen den Partikeln des leitfähigen Mittels gebildet. Bei der Aufschlämmungsvorbereitung wird das leitfähige Mittel gleichmäßig im Lösungsmittel verteilt und ein besser vernetztes 3D-Elektronenübertragungsnetzwerk gebildet. Der anschließende Beschichtungs- und Trocknungsprozess erfolgt. Die 3D-Netzwerkstruktur des leitfähigen Wirkstoffs sorgt für eine gute Konnektivität, obwohl der Kontakt zwischen den aktiven Partikeln schlecht ist. Das leitfähige Wirkstoffnetzwerk sorgt jedoch dafür, dass die Elektrode eine gute elektronische Leitfähigkeit und einen niedrigen Widerstand der Elektrode aufweist. Das elektronische Übertragungsnetz des leitfähigen Mittels wird bei geringerem Walzendruck unterbrochen. was zu einem erhöhten Polwiderstand führt. Kombiniert mit drei unterschiedlichen Rollendrücken der Oberflächentopographiekarte der Ternärelektrode und des Oberflächenkohlenstoffverteilungsdiagramms kann gefolgert werden, dass nach dem Rollendruck die auf der Oberfläche der aktiven Partikel beschichteten leitfähigen Kohlenstoffmoleküle möglicherweise nicht durch seitliche Scherkraft extrudiert werden und die Verbindung zwischen den leitfähigen Mitteln getrennt wird Partikel können keine Elektronen leiten, daher wird der Widerstand verglichen, bevor der Widerstand der Walzenplatte zunimmt.
Darüber hinaus kann dies auch mit der ständig abnehmenden Rauheit der Polblechoberfläche zusammenhängen, wie in Abbildung 5 dargestellt. Denn der nach dem Elektrodenwiderstandsprüfprinzip der oberen und unteren Sonden gemessene Elektrodenwiderstand enthält zwangsläufig den Kontaktwiderstand zwischen der oberen und der unteren Sonde Unterelektroden und der Elektrodenoberfläche: Wenn die Rauheit der Elektrodenoberfläche kleiner wird, wird der Kontakt zwischen der Testelektrode und der Elektrodenoberfläche schlechter und der Kontaktwiderstand wird groß, wodurch der gemessene Gesamtwiderstand groß wird.
Wenn der Walzendruck weiter zunimmt, werden die aktiven Partikel weiter verdichtet und die leitfähigen Kohlenstoffpartikel berühren sich eng und bilden ein wieder verbundenes 3D-Netzwerk, sodass der Polarwiderstand verringert wird. Daher muss der Rollendruck des positiven Polblechs einen größeren Rollendruck gewährleisten, da sonst der leichte Rollendruck das elektronische Leitungsnetzwerk zerstört, den Elektrodenwiderstand erhöht und sich nicht positiv auf die Leistung der Batterie auswirkt. Darüber hinaus sollte beim Testen des Elektrodenplattenwiderstands der positiven Elektrodenplatte der Oberflächenzustand der Elektrodenplatte so weit wie möglich beibehalten werden, um den Einfluss verschiedener Prozessformeln auf den Elektrodenplattenwiderstand vergleichen zu können.
Abbildung 5. Trend der Oberflächenrauheit der drei positiven Elektrodenbleche
Abbildung 6. Oberflächen-EM und Kohlenstoffverteilung von drei ternären Platten
3. Zusammenfassung
In dieser Arbeit wurde der Widerstand positiver und negativer Elektrodenbleche mit unterschiedlicher Walzdichte charakterisiert und es wurde festgestellt, dass sich der Widerstand positiver und negativer Elektroden mit zunehmender Walzdichte änderte. Der Maximalwert hängt mit der Ausrichtung des Polstücks zusammen, während der Widerstand der positiven Elektrode mit dem Rollen zunächst zunimmt und dann abnimmt, was mit dem Elektronentransportweg des dreidimensionalen Netzwerks des leitfähigen Mittels des Pols zusammenhängt Stück und die Rauheit der Oberfläche. Wenn daher die Polstückwiderstandsmethode zur Bewertung des Unterschieds in der Leitfähigkeit der positiven und negativen Polstücke und der Gleichmäßigkeit der Leitung verwendet wird,
4. Referenzmaterial
1.Henrik Lyder Andersen, Lisa Djuandhi, Uttam Mittal, Neeraj Sharma, Strategien zur Analyse der Graphitelektrodenfunktion, Adv. Energy Mater., 2021, DOI:10.1002/aenm.202102693
2.Hiroki Kondo et al. Einfluss des Aktivmaterials auf die elektronische Leitfähigkeit der positiven Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2019, 166 (8) A1285-A1290.
3.BG Westphal et al. Einfluss von hochintensivem Trockenmischen und Kalandrieren auf den relativen Elektrodenwiderstand, bestimmt über einen fortschrittlichen Zweipunktansatz[J]. Journal of Energy Storage 2017, 11, 76–85.