Die Schwellung der Siliziumanode kann schnell beurteilt werden, ohne dass eine Batterieherstellung erforderlich ist

Das negative Elektrodenmaterial Silizium (Si) mit seinen einzigartigen Vorteilen einer hohen theoretischen Kapazität (4200 mAh/g) und reichlich vorhandenen Ressourcen wird voraussichtlich die weit verbreiteten negativen Graphitelektroden ersetzen und zum wichtigsten negativen Elektrodenmaterial für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien werden . Die vielversprechendsten Anoden auf Siliziumbasis für die Kommerzialisierung in großem Maßstab sind Silizium-Kohlenstoff-Anoden und Silizium-Sauerstoff-Anoden, die beide über hohe spezifische Kapazitäten verfügen. Aufgrund des Legierungs- und Entlegierungsmechanismus von Silizium kann die dadurch verursachte erhebliche strukturelle Schwellung jedoch die bereits vorhandene Festelektrolytgrenzfläche (SEI) auf der Oberfläche des Siliziummaterials beschädigen. Dies führt zu einer kontinuierlichen Zerstörung und Regeneration des SEI-Films während des Zyklus, wodurch eine große Menge Elektrolyt verbraucht wird. Dies führt letztendlich zu einem schnellen Abfall der Batteriekapazität. ² Deshalb,bewertenddie Leistung eines Siliziummaterials,abgesehen vonDiespezifische Kapazität, Anfangseffizienz und Zykluseffizienz, die Bewertung ihrerSchwellungAuch die Leistung ist entscheidend.

Die vorhandenen Methoden zur BewertungSchwellungDie Leistung erfordert, dass das Material der negativen Siliziumelektrode zu einem vorbereitet wird Beutelzelle oder Stapelzelleund dann vor Ort überwachtSchwellungunter Verwendung von Kraftstrukturen und hochpräzisen Sensoren (z. B. SWE des IEST).SchwellungSerie). Der Vorbereitungsprozess vom Pulvermaterial bis zur fertigen Zelle erfordert jedoch nicht nur eine ausgereifte Zellproduktionslinie, sondern erfordert auch einen langen Bewertungszyklus. Daher, wie man das schnell auswertetSchwellungDie Leistungsfähigkeit eines Siliziummaterials ist für viele Materialforscher zu einem schwierigen Problem geworden.

IEST hat kürzlich ein Vierkanal-In-situ-Schnellscreeningsystem für siliziumbasierte negative Elektroden entwickelt (wie in Abbildung 1 dargestellt). Gelernt aus dem Montagemodus der Knopfzellenbatterie, es ist erfolgreich gelungen, die direkte Messung derSchwellungLeistung von negativen Siliziumelektroden am Elektrodenende. Dieses System eliminiert die Personal-, Material- und Zeitkosten, die für die Vorbereitung fertiger Batteriezellen erforderlich sind, und wertet die wichtigsten Leistungsindikatoren von Silizium-Negativelektrodenmaterialien bei minimalem Verbrauch und maximaler Effizienz genau aus, sodass Sie in Forschung und Entwicklung immer einen Schritt voraus sind. Darüber hinaus ist dieses Gerät auch mit herkömmlichen Geräten kompatibelSchwellungPrüfung von KleinformatenBeutelzelleund gestapelte Batteriezellen (100 x 100 mm), wodurch eine echte Mehrzwecknutzung erreicht wird.

Abbildung 1. Anode auf SiliziumbasisSchwellungIn-situ-Schnellscreeningsystem (vier Kanäle)

1. SwohligTest verschiedener Silizium-Kohlenstoff-Materialien

1.1 Informationen zu Testproben

Positive Elektrode:NCM811,wird in Scheibenform mit einem Durchmesser von 14 mm geschnitten.

Negative Elektrode:B, C und D haben ähnliche Kapazitäten (~5,9 mAh), aber unterschiedliche Modifikationsmethoden.werden in Scheibenform mit 16 mm Durchmesser geschnitten(Das B-Material ist ein von einem Batteriematerialunternehmen in Ningbo speziell modifiziertes Silizium-Kohlenstoff-Material mit geringer Ausdehnung, während C und D zwei gängige Silizium-Kohlenstoff-Materialien auf dem Markt sind.)

Elektrolyt:handelsüblicher Elektrolyt.

Separator: PP-Separator, wird in Scheibenform mit 18 mm Durchmesser geschnitten.

1.2 Testinformationen und -ablauf

Tabelle 1. Lade- und Entladevorgang

1.3 Analyse der Schwellungsergebnisse

Im Handschuhfach wurden drei Silizium-Kohlenstoff-Materialien zu einem zusammengesetzt Knopfzelle volle Batterie (die positive Elektrode verwendet das gleiche NCM-Material, um das Prinzip der einzelnen Variablen sicherzustellen) und die schnelleSchwellungDer Test wurde mit dem auf Silizium basierenden In-situ-Schnelltestsystem für negative Elektrodenexpansion von IEST Technology durchgeführt. Das Ergebnis ist in Abbildung 2 dargestellt. Zunächst dehnen sich alle drei Silizium-Kohlenstoff-Materialien beim Laden aus und schrumpfen beim Entladen.was mit der Schwellung der Lithiumionen-Interkalation übereinstimmtwenn die negative Elektrode geladen ist, unddie Schrumpfung der Lithiumionen-Deinterkalationwährend der Entladung. Obwohl wir eine volle Batterie zusammengebaut haben, ist das Ganze daherSchwellungDas Verhalten der Batterie wird immer noch von der negativen Elektrode dominiert, während dieSchwellungund die Kontraktion der positiven Elektrode ist viel geringer als die der negativen Elektrode³. Zweitens sind die Wendepunkte derSchwellungDie Kurven der drei stimmen auch in hohem Maße mit den Wendepunkten der Lade- und Entladekurven überein, was darauf hindeutet, dass dieSchwellungKurven können das Expansions- und Kontraktionsverhalten während der Lithium-Ionen-Batterie widerspiegelnDeinterkalationsprozess.

Gleichzeitig ist dieModell einer Knopfzelle SchwellungDie Bewertungsmethode kann auch die effektiv bewertenSchwellungUnterschied zwischen verschiedenen Silizium-Kohlenstoff-Materialien. Aus Abbildung 2 ist deutlich zu erkennen, dass im gleichen Betriebsspannungsbereich die GesamtspannungSchwellungDer Anteil des Silizium-Kohlenstoff-Materials vom B-Typ ist viel kleiner als der der anderen beiden Arten von Silizium-Kohlenstoff-Materialien, was darauf hinweist, dass die spezielle Modifikationsbehandlung das Wachstum der negativen Silizium-Kohlenstoff-Elektrode stark hemmen kann. Swohlig, wodurch eine Reihe von Nebenreaktionen reduziert werden, die durch verursacht werdenSchwellungund letztendlich die Zyklusleistung des Materials verbessern. Darüber hinaus zählen Tabelle 2 und Tabelle 3 jeweils dieSchwellungDicke undSchwellungGeschwindigkeitsdaten der drei Silizium-Kohlenstoff-Materialien, aus denen ersichtlich ist, dass: (1) die Ausdehnung der drei Silizium-Kohlenstoff-Materialien für die erste Ladung höher sein wird als die der ersten Entladung und der letzten beiden ZyklenSchwellungvon Ladung und Entladung ist viel größer, und es gibt eine gewisse IrreversibilitätSchwellungim ersten Lade- und Entladezyklus. Dies liegt daran, dass die negative Elektrode einen SEI-Film erzeugt und bestimmte irreversible Effekte erzeugtSchwellungauf der Oberfläche aktiver Partikel zusätzlich zur LithiuminterkalationSchwellungwährend der ersten Ladung. (2) Vergleich derSchwellungDaten der letzten beiden Zyklen des Ladens und Entladens, es ist ersichtlich, dass der DurchschnittSchwellungDie Dicke des Silizium-Kohlenstoff-Materials vom B-Typ beträgt nach der Modifikation nur ~4,2 μmSchwellungDie Rate beträgt ~8,9 %, während das C-Typ-Material und D der Durchschnitt sindSchwellungdes Materials vom Typ B beträgt das 3,7-fache bzw. das 5-fache des Materials vom Typ B,bzw.dass dieSchwellungDer Modifikationseffekt des B-Typ-Materials ist sehr offensichtlich.

Abbildung 2. Verwendung der Modellbatterie zur schnellen Bewertung der Quelldickenänderung von drei verschiedenen Silizium-Kohlenstoff-Materialien während drei Lade- und Entladezyklen, wobei die gepunktete Linie die Spannung-Zeit-Kurve und die durchgezogene Linie die Quelldickenänderungskurve darstellt mit der Zeit.

Tabelle 2. Die Quelldicke von drei Silizium-Kohlenstoff-Materialien pro Lade- und Entladezyklus

Tabelle 3. Quellrate von drei Silizium-Kohlenstoff-Materialien pro Lade- und Entladezyklus

2. Elektronenmikroskopische Beobachtung verschiedener Si-Materialien

Darüber hinaus, um die zu vergleichenSchwellungdes Polstücks, das mit dem Modellknopf gemessen wurde, mit dem Ergebnis der manuellen Dickenmessung, wir haben das vollständig gefüllte Silizium-Kohlenstoff-Polstück zerlegt und den Querschnitt des Polstücks unter dem Rasterelektronenmikroskop beobachtet und verglichen. Die Dicke wurde gemessen und die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt. Nach Abzug der Dicke der Kupferfolie vergrößert sich die Beschichtungsdicke des Typ-B-Silizium-Kohlenstoff-Polstücks nach vollständiger Aufladung von ~50,81 μm auf ~55,45 μm, und zwar insgesamtSchwellungbeträgt ~4,64 μm, was dem Durchschnitt entsprichtSchwellungDicke gemessen mit der Modellschnalle. sehr nah. Darüber hinaus vergrößerte sich bei den C- und D-Silizium-Kohlenstoff-Materialien die Beschichtungsdicke nach dem vollständigen Füllen um ~11,98 μm bzw. ~14,65 μm, was dem entsprichtSchwellungDaten der letzten beiden Zyklen in Tabelle 2. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unabhängig davon, ob das Modell für die In-situ-Überwachung verwendet wird oder der Polschuh für die Beobachtung mit dem Elektronenmikroskop zerlegt wird, dieSchwellungDie Trends der drei Silizium-Kohlenstoff-Materialien sind konsistent, d. h. D>C>B.

Abbildung 3. Rasterelektronenmikroskopbilder der Querschnitte von drei Silizium-Kohlenstoff-Polstücken vor der vollständigen Aufladung (frisch) und nach der vollständigen Aufladung (voll aufgeladen). Darunter ist (ab) das elektronenmikroskopische Bild eines Silizium-Kohlenstoff-Materials vom Typ B; (cd) ist das elektronenmikroskopische Bild eines Silizium-Kohlenstoff-Materials vom Typ C; (ef) ist das elektronenmikroskopische Bild eines Silizium-Kohlenstoff-Materials vom Typ D.

3. Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde der Schnellausdehnungstest von drei Silizium-Kohlenstoff-Materialien mit unterschiedlichen Modifikationsbedingungen unter Verwendung der IEST-Negativelektrode auf Siliziumbasis durchgeführtSchwellungIn-situ-Schnellscreeningsystem. Die negativen Drei-Silizium-Kohlenstoff-Elektroden müssen nicht in Softpacks oder laminierten Zellen vorbereitet werden, sondern müssen nur in eine Modellknopfbatterie eingebaut werden, um sie direkt zu testenSchwellungDicke des Silizium-Kohlenstoff-Negativelektrodenblatts vor Ort, was nicht nur die Vorbereitung fertiger Zellen erspart. Die umständlichen Schritte verbessern auch die Effizienz desSchwellungBewertung von Materialien auf Siliziumbasis. Aus den In-situ-Testergebnissen der Modellschnalle geht hervor, dassSchwellungDer Anteil des Silizium-Kohlenstoff-Materials vom B-Typ ist nach spezieller Modifikation viel kleiner als der der auf dem Markt üblichen Silizium-Kohlenstoff-Materialien vom Typ C und D. Gleichzeitig haben wir auch den voll geladenen Polschuh zerlegt und mit einem Elektronenmikroskop beobachtet. Die Beobachtungsergebnisse zeigten den gleichen Trend wie der In-situ-Test der Modellschnalle, d. h. dieSchwellungDas Silizium-Kohlenstoff-Material vom B-Typ war das kleinste unter den dreien, was darauf hindeutet, dass IEST die negative Elektrode auf Siliziumbasis istSchwellungIn-situ-Schnellscreening-Systeme können das direkt auswertenSchwellungLeistung des Materials am Elektrodenende, bewerten Sie die wichtigsten Leistungsindikatoren der negativen Siliziumelektrode mit dem geringsten Verbrauch und der schnellsten Effizienz genau und machen Sie Ihre Forschung und Entwicklung einen Schritt schneller!

4. Referenzmaterialien

[1] M. Ashuri, QR He und LL Shaw, Silizium als potenzielles Anodenmaterial für Li-Ionen-Batterien: wobei Größe, Geometrie und Struktur eine Rolle spielen. Nanoscale 8 (2016) 74–103.

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