Le gonflement de l'anode en silicium peut être rapidement évalué sans qu'il soit nécessaire de fabriquer une batterie

Le matériau d'électrode négative en silicium (Si), avec ses avantages uniques de capacité théorique élevée (4200 mAh/g) et de ressources abondantes, devrait remplacer les électrodes négatives en graphite largement utilisées et devenir le principal matériau d'électrode négative pour la prochaine génération de batteries lithium-ion . Les anodes à base de silicium les plus prometteuses pour une commercialisation à grande échelle sont les anodes silicium-carbone et les anodes silicium-oxygène, qui ont toutes deux des capacités spécifiques élevées. Cependant, en raison du mécanisme d'alliage et de désalliage du silicium, le gonflement structurel important qu'il provoque peut endommager l'interface électrolyte solide (SEI) préexistante à la surface du matériau en silicium. Cela conduit à la destruction et à la régénération continues du film SEI pendant le cyclage, consommant une grande quantité d'électrolyte, et finalement entraînant une dégradation rapide de la capacité de la batterie. ² Par conséquent,évaluerles performances d'un matériau en silicium,à partlecapacité spécifique, efficacité initiale et efficacité du cycle, l'évaluation de sagonflementla performance est également cruciale.

Les méthodes existantes d'évaluationgonflementLes performances nécessitent que le matériau d'électrode négative en silicium soit préparé dans un cellule de poche ou cellule empilée, puis suivi in ​​situgonflementen utilisant des structures de force et des capteurs de haute précision (tels que le SWE de l'IESTgonflementsérie). Cependant, le processus de préparation du matériau en poudre à la cellule finie nécessite non seulement une ligne de production de cellules matures, mais également un long cycle d'évaluation. Par conséquent, comment évaluer rapidement lagonflementLes performances d'un matériau en silicium sont devenues un problème difficile pour de nombreux chercheurs en matériaux.

IEST a récemment développé un système de criblage rapide in situ à quatre canaux pour électrode négative à base de silicium (comme illustré à la figure 1). Appris du mode d'assemblage de la pile bouton, il a réussi à mesurer directement lagonflementperformance des électrodes négatives en silicium à l'extrémité de l'électrode. Ce système élimine les coûts de main-d'œuvre, de matériel et de temps nécessaires à la préparation des cellules de batterie finies et évalue avec précision les indicateurs de performance les plus importants des matériaux d'électrode négative en silicium avec une consommation minimale et une efficacité maximale, vous permettant de garder une longueur d'avance dans la recherche et le développement. De plus, cet appareil est également compatible avec lesgonflementessai de petite taillecellule de pocheet des cellules de batterie empilées (100*100mm), réalisant véritablement une utilisation polyvalente.

Figure 1. Anode à base de siliciumgonflementsystème de dépistage rapide in situ (quatre canaux)

1.SjaillissantTest de différents matériaux de carbone de silicium

1.1 Informations sur l'échantillon de test

Électrode positive :NCM811,est découpé en forme de disque de 14 mm de diamètre.

Électrode négative :B, C et D ont des capacités similaires (~ 5,9 mAh), mais des méthodes de modification différentes,sont découpés en forme de disques de 16 mm de diamètre(le matériau B est spécialement modifié par une société de matériaux de batterie à Ningbo en matériau silicium-carbone à faible expansion, tandis que C et D sont deux matériaux silicium-carbone courants sur le marché).

Électrolyte:électrolyte commercial.

Séparateur: Séparateur PP, découpé en forme de disques de 18mm de diamètre.

1.2 Informations sur le test et processus

Tableau 1. Processus de charge et de décharge

1.3 Analyse des résultats de gonflement

Dans la boîte à gants, trois matériaux silicium-carbone ont été assemblés en un pile bouton batterie pleine (l'électrode positive utilise le même matériau NCM pour assurer le principe de la variable unique), et le rapidegonflementLe test a été effectué à l'aide du système de dépistage rapide in situ à expansion d'électrode négative à base de silicium de la technologie IEST, et le résultat est illustré à la figure 2. Tout d'abord, les trois matériaux silicium-carbone se dilatent tous avec la charge et rétrécissent avec la décharge,ce qui est cohérent avec le gonflement de l'intercalation des ions lithiumlorsque l'électrode négative est chargée, etle rétrécissement de la désintercalation des ions lithiumlors de la décharge. Par conséquent, bien que nous ayons assemblé une batterie complète, l'ensemblegonflementcomportement de la batterie est toujours dominé par l'électrode négative, tandis que legonflementet la contraction de l'électrode positive est beaucoup plus faible que celle de l'électrode négative³. Deuxièmement, les points d'inflexion de lagonflementles courbes des trois sont également très cohérentes avec les points d'inflexion des courbes de charge et de décharge, indiquant que legonflementles courbes peuvent refléter le comportement d'expansion et de contraction pendant la batterie lithium-ionprocessus de désintercalation.

Dans le même temps, lepile bouton modèle gonflementméthode d'évaluation peut également évaluer efficacement lagonflementdifférence entre les différents matériaux silicium-carbone. Il ressort clairement de la figure 2 que, dans la même plage de tension de fonctionnement, lagonflementdu matériau silicium-carbone de type B est beaucoup plus petit que celui des deux autres types de matériaux silicium-carbone, ce qui indique que le traitement de modification spécial peut fortement inhiber la croissance de l'électrode négative silicium-carbone. Sjaillissant, réduisant ainsi une série de réactions secondaires causées pargonflement, et finalement améliorer les performances de cycle du matériau. De plus, le tableau 2 et le tableau 3 comptabilisent respectivement lesgonflementépaisseur etgonflementdonnées de taux des trois matériaux silicium-carbone, à partir desquelles on peut voir que: (1) L'expansion des trois matériaux silicium-carbone pour la première charge sera supérieure à celle de la première décharge et des deux derniers cyclesgonflementde charge et de décharge est beaucoup plus grande, et il y a un certain irréversiblegonflementdans le premier cycle de charge et de décharge. C'est parce que l'électrode négative générera un film SEI et produira certains irréversiblesgonflementà la surface des particules actives en plus de l'intercalation du lithiumgonflementlors de la première charge. (2) Comparer lesgonflementdonnées des deux derniers cycles de charge et de décharge, on peut voir que la moyennegonflementl'épaisseur du matériau silicium-carbone de type B après modification n'est que d'environ 4,2 μm, et lagonflementLe taux est d'environ 8,9 %, tandis que le matériau de type C et D La moyennegonflementdu matériau de type B est 3,7 fois et 5 fois celle du matériau de type B,respectivementque legonflementL'effet de modification du matériau de type B est très évident.

Figure 2. Utilisation de la batterie modèle pour évaluer rapidement le changement d'épaisseur de gonflement de trois matériaux silicium-carbone différents pendant 3 cycles de charge et de décharge, où la ligne pointillée est la courbe de tension en fonction du temps et la ligne continue est la courbe de changement d'épaisseur de gonflement avec le temps.

Tableau 2. L'épaisseur de gonflement de trois matériaux de carbone de silicium par cycle de charge et de décharge

Tableau 3. Taux de gonflement de trois matériaux de silicium-carbone par cycle de charge et de décharge

2. Observation au microscope électronique de différents matériaux Sic

De plus, afin de comparer lesgonflementde la pièce polaire mesurée par le bouton modèle avec le résultat de la mesure manuelle de l'épaisseur, nous avons démonté la pièce polaire en carbone de silicium entièrement remplie, et observé et comparé la section transversale de la pièce polaire sous le microscope électronique à balayage. L'épaisseur a été mesurée et les résultats sont présentés à la figure 3. Après avoir déduit l'épaisseur de la feuille de cuivre, l'épaisseur du revêtement de la pièce polaire en carbone de silicium de type B passe de ~ 50,81 μm à ~ 55,45 μm après avoir été complètement chargée, et le totalgonflementest ~ 4,64 μm, ce qui est le même que la moyennegonflementépaisseur mesurée à l'aide de la boucle modèle. très proche. De plus, pour les matériaux silicium-carbone C et D, l'épaisseur du revêtement a augmenté respectivement d'environ 11,98 μm et d'environ 14,65 μm après un remplissage complet, ce qui est comme legonflementdonnées des deux derniers cycles dans le tableau 2. En résumé, que le modèle soit utilisé pour la surveillance in situ ou que la pièce polaire soit démontée pour l'observation au microscope électronique, lagonflementles tendances des trois matériaux silicium-carbone sont cohérentes, c'est-à-dire que D>C>B

Figure 3. Images au microscope électronique à balayage des sections transversales de trois pièces polaires en silicium-carbone avant d'être complètement chargées (frais) et après avoir été complètement chargées (pleine charge). Parmi eux, (ab) est l'image au microscope électronique d'un matériau silicium-carbone de type B ; (cd) est l'image au microscope électronique d'un matériau silicium-carbone de type C ; (ef) est l'image au microscope électronique d'un matériau silicium-carbone de type D.

3. Résumé

Dans cet article, le test d'expansion rapide de trois matériaux silicium-carbone avec différentes conditions de modification a été réalisé en utilisant l'électrode négative à base de silicium IESTgonflementsystème de dépistage rapide in situ. Les électrodes négatives en carbone à trois silicium n'ont pas besoin d'être préparées dans des packs souples ou des cellules laminées, mais doivent seulement être assemblées dans une pile bouton modèle pour tester directement legonflementépaisseur de la feuille d'électrode négative en carbone de silicium in situ, ce qui non seulement économise la préparation des cellules finies. Les étapes fastidieuses améliorent également considérablement l'efficacité de lagonflementévaluation des matériaux à base de silicium. On peut voir à partir des résultats des tests in situ de la boucle modèle, legonflementdu matériau silicium-carbone de type B après modification spéciale est beaucoup plus petit que les matériaux silicium-carbone de type C et D qui sont courants sur le marché. En même temps, nous avons également démonté la pièce polaire complètement chargée et l'avons observée avec un microscope électronique. Les résultats d'observation ont montré la même tendance que le test in situ de la boucle du modèle, c'est-à-diregonflementdu matériau silicium-carbone de type B était le plus petit parmi les trois, indiquant que IEST L'électrode négative à base de siliciumgonflementsystème de dépistage rapide in situ peut évaluer directement legonflementperformances du matériau à l'extrémité de l'électrode, évaluez avec précision les indicateurs de performance les plus importants de l'électrode négative en silicium avec la plus petite consommation et l'efficacité la plus rapide, et accélérez votre recherche et développement!

4. Documents de référence

[1] M. Ashuri, QR He et LL Shaw, Le silicium comme matériau d'anode potentiel pour les batteries Li-ion : où la taille, la géométrie et la structure comptent. Nanoscale 8 (2016) 74–103.

[2] XH Shen, RJ Rui, ZY Tian, ​​DP Zhang, GL Cao et L. Shao, Développement sur les matériaux d'anode composites silicium/carbone pour batterie lithium-ion. J.Chin. Crème. Soc. 45 (2017) 1530-1538.

[3] R. Koerver, WB Zhang, L. Biasi, S. Schweidler, A. Kondrakov, S. Kolling, T. Brezesinski, P. Hartmann, W. Zeier et J. Janek, Expansion chimio-mécanique des matériaux d'électrode au lithium - sur la voie des batteries tout solide mécaniquement optimisées. Énerg. Environ. Sci. 11 (2018) 2142-2158.