Évaluation de la conductivité électrique et des propriétés de compression des matériaux NCM dans différents systèmes
Évaluation de la conductivité électrique et des propriétés de compression des matériaux NCM dans différents systèmes
Le matériau de la cathode est l'un des composants les plus importants des batteries lithium-ion. Les matériaux de cathode courants des batteries lithium-ion sont l'oxyde de lithium-cobalt en couches, le phosphate de fer-lithium à structure olivine, l'oxyde de lithium-manganèse à structure spinite et le matériau ternaire en couches nickel-cobalt-manganèse (ci-après dénommé NCM).
Parmi eux, les matériaux NCM ont les caractéristiques de l'oxyde de lithium-cobalt, de l'oxyde de lithium-manganèse et de l'acide de lithium-nickel, qui affaiblissent leurs défauts dans une certaine mesure, avec les avantages d'un faible coût, d'une faible pollution environnementale, d'une faible toxicité, d'une haute densité d'énergie et d'une haute tension. plateforme. Par conséquent, les matériaux NCM sont rapidement devenus une direction importante pour le développement de matériaux pour batteries lithium-ion. Il existe une interaction synergique entre le nickel, le cobalt et le manganèse dans les matériaux NCM, et sa structure est généralement LiNixCoyMnzO2(x + y + z=1), qui est une structure hexagonale et en couches.
La présence de nickel peut améliorer la capacité spécifique du matériau, réduire le coût du matériau, mais une teneur en nickel trop élevée entraînera une instabilité de la structure du matériau et un mélange nickel-lithium; le cobalt améliore la conductivité électronique et les performances multiplicatrices du matériau, mais la toxicité du cobalt et les ressources en cobalt ; le manganèse joue le rôle de stabiliser la structure du matériau et de réduire le coût du matériau, mais il est facile de produire une phase spinelle trop élevée et de détruire la structure en couches du matériau. Trois matériaux polycristallins NCM (NCM111, NCM622 et NCM811) avec différentes teneurs en nickel ont été sélectionnés pour évaluer les différences entre les matériaux en mesurant leur morphologie, leur conductivité, leur densité de compactage et leurs propriétés de rebond.
Figure 1. LiCoxMnyNi1-x-yO2structure en cristal4
1 méthode d'essai
1.1 Le test de morphologie SEM des trois matériaux
1.2 La conductivité électrique et la densité de compactage des trois matériaux NCM sont testées à l'aide du PRCD3100. L'équipement d'essai est illustré à la figure 2.
Paramètres de test : appliquez une plage de pression de 10 à 200 MPa, avec un intervalle de 20 MPa, et maintenez la pression pendant 10 s.
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Figure 2. (a) Diagramme d'apparence du PRCD3100 ; (b) Schéma de structure du PRCD3100
2 Résultats des tests
Pour le test de morphologie SEM des trois matériaux NCM, les résultats sont présentés à la figure 3, (a), (b), (c), la morphologie des matériaux NCM111, NCM622, NCM811, les trois types de matériaux trouvés en particules mixtes et la surface NCM811. la densité est plus élevée, la structure est plus proche de la morphologie sphérique, NCM111 et NCM622, la faible densité de surface et la structure en couches sont plus évidentes. La conductivité et les propriétés de compression des matériaux ternaires, d'une part, la conductivité et l'élasticité des particules elles-mêmes , et d'autre part, la résistance de contact et la porosité causées par les différences de distribution granulométrique.
Figure 3 La topographie SEM des trois matériaux NCM
Les courbes de test de conductivité et de densité de compactage des trois matériaux NCM sont illustrées à la figure 4. À partir de la courbe de résultat de conductivité (a), la taille de conductivité est NCM811>NCM622>NCM111, avec la conductivité des trois matériaux NCM et la courbe de densité de compactage (b), la densité de compactage de NCM622 au-dessus d'environ 80 MPa est supérieure à celle des deux autres matériaux NCM, mais la différence globale n'est pas importante.
La densité de compactage des matériaux d'électrode positive est liée à la forme des particules, à leur taille et à leur distribution. Si la déformation des particules elles-mêmes n'est pas considérée en premier lieu, le processus de compactage des particules de poudre est le processus dans lequel la poudre forme l'accumulation la plus dense à partir de l'état lâche sous l'action de la pression. Selon le principe de garnissage le plus compact, lorsque les particules sphériques de rayon R s'accumulent de la manière la plus compacte, toutes les particules entrent en contact les unes avec les autres, la porosité théorique formée entre les particules est de 25,94 % et les pores entre les particules primaires de rayon R est 0,414R. Une fois tous les pores remplis de particules secondaires, la porosité est de 20,70 %. Le rayon maximal de particules pouvant être rempli dans le pore est de 0,225R, cubique, 0,177R et 0,116R,
Lorsque toutes les particules entre l'accumulation la plus proche, une pression supplémentaire, une déformation mutuelle entre les particules elles-mêmes, la première accumulation de déformation élastique, la déformation élastique de décharge de pression rebondissent, lorsque la force est supérieure à la limite d'élasticité du matériau lui-même particules déformation plastique, souche ne peut pas récupérer. Par conséquent, la densité de compactage des particules n'est pas seulement liée à la morphologie et à la granulométrie de la poudre, mais également liée aux propriétés mécaniques de la poudre. Par conséquent, le comportement de déformation sous pressurisation et déchargement a été testé plus avant.
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Figure 4 Courbes de conductivité électrique et de densité de compactage des trois matériaux NCM
Testez la pression et la décompression des trois matériaux, et testez la pression de chargement selon la courbe de changement de pression illustrée à la figure 5 (a), le changement d'épaisseur de matériau correspondant et la courbe de rebond d'épaisseur sont illustrés à la figure 5 (a) et ( b). Lorsque les trois poudres NCM sous la même quantité d'échantillonnage, le rebond d'épaisseur de NCM622 est supérieur à celui des matériaux NCM111 et NCM811. À environ 110 MPa, la quantité de rebond d'épaisseur se stabilise progressivement, indiquant que les pores entre les particules sont fondamentalement exclus, et le rebond d'épaisseur est principalement dû à l'élasticité des particules elles-mêmes. De plus, en utilisant la décompression continue de la figure 5 (c) et la décompression maximale de la figure 5 (d), en analysant la variable de forme maximale, la variable de forme réversible et la variable de forme irréversible, comme indiqué dans le tableau 1, La déformation réversible NCM111 est légèrement supérieure à NCM622 et NCM811, mais la différence globale n'est pas importante. À partir de la pente de la courbe de contrainte-déformation, le module de compression de NCM622 est plus facile car il est inférieur à NCM111 et NCM811. Les résultats des tests ci-dessus peuvent indiquer que le NCM622 sélectionné dans cette expérience peut atteindre une densité de compactage plus élevée par rapport aux deux autres NCM. matériaux.
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Figure 5. Courbe de contrainte et de déformation lors de la décompression sous pression des trois matériaux NCM
Tableau 1. Résumé des données variables de forme pour les trois matériaux NCM
Résumer
Dans cet article, PRCD3100 teste la conductivité, la densité de compactage et les propriétés de compression de NCM111, NCM622 et NCM811, et constate qu'avec l'augmentation de la teneur en nickel, le module de compression de NCM622 est supérieur à NCM111 et NCM811, ce qui est lié à la microstructure. Combiné avec les résultats d'analyse de morphologie SEM des trois matériaux, il est évident que le matériau polycristallin composé d'une structure en couches est plus facile à compresser, ce qui est cohérent avec les résultats réels de l'expérience de performance de compression. Dans le processus de développement de la batterie au lithium, en plus d'augmenter la teneur en nickel pour améliorer la densité d'énergie de la batterie, on peut également partir du principe qu'aucune particule cassée n'augmente la densité de compactage de la feuille polaire pour améliorer la densité d'énergie volumique,
Documents de référence
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