Effet de la pression de roulement sur la compression et la conductivité de l'électrode
Dans le contexte d'une société moderne durable et des objectifs climatiques, la technologie de stockage d'énergie par batterie est devenue une direction importante pour la transformation de l'industrie automobile mondiale et la croissance durable de l'économie mondiale. Les batteries lithium-ion (LIB) sont devenues l'une des principales solutions de stockage d'énergie sur les marchés de la consommation, de l'énergie et du stockage d'énergie en raison de leur longue durée de vie et de leurs performances élevées. À l'heure actuelle, il reste encore des défis à réduire les coûts de production, à améliorer performance et durabilité des batteries lithium-ion. Par conséquent, il est très important d'avoir une compréhension approfondie de l'impact du processus de production sur la batterie et l'évaluation des besoins particuliers du processus de production. La tendance et la direction futures ne dépendent pas seulement du changement des matériaux de la batterie lithium-ion dépendent également du processus de production. Le processus de compactage au rouleau garantit la densité compactée souhaitée de la feuille d'électrode au lithium en préréglant la taille de l'écart ou la force entre les deux rouleaux à une vitesse et une température de rouleau appropriées. Afin d'augmenter la capacité de la batterie, d'améliorer la conductivité électronique et les performances électrochimiques, les pièces polaires de la batterie lithium-ion sont produites par la technologie de laminage. Étude approfondie et compréhension de l'évolution de la microstructure des électrodes au cours du processus de laminage, ainsi que les paramètres de processus sur la structure finale et les performances de l'électrode, permettront de contrôler plus finement l'électrode et d'améliorer les performances globales,
En 2022, Zhang et ¹ ont combiné la simulation numérique de la méthode des éléments discrets et le test de roulement pour effectuer des recherches microscopiques et macroscopiques systématiques sur le processus de roulement de la pièce polaire, et ont utilisé l'équation de Heckel pour compléter le modèle de prédiction de la compression des électrodes, la figure 1 est un schéma diagramme de la courbe de contrainte et de déplacement de la pièce polaire pendant le processus de compression. Il est précisé que la déformation de la pièce polaire est liée à la pulvérisation de particules, à la fusion de particules secondaires, à la compression du réseau de liants et à la déformation de la surface du collecteur de courant. Dans le même temps, les résultats montrent que l'augmentation de la conductivité électronique est liée à l'amélioration du chemin de conduction à l'intérieur de l'électrode d'une part et au resserrement du contact entre le revêtement et le collecteur de courant d'autre part. Sur la base de cette recherche, cet article adopte l'équipement de test de résistance des pièces polaires de la série BER2500 pour tester la conductivité des pièces polaires en graphite sous différentes densités de compactage, c'est-à-dire différentes pressions de roulement. En même temps, en combinant la structure de pressage à plat de l'équipement pour tester et analyser les performances de compression de la pièce polaire, il fournit une nouvelle méthode pour l'évaluation du processus de production de laminage de la pièce polaire de la batterie lithium-ion.
Figure 1. Schéma de principe de la courbe force-déplacement de la pièce polaire
(Les zones vertes représentent les résultats expérimentaux, les zones grises représentent les résultats de simulation)
Matériel expérimental et méthodes d'essai
1.1 Equipement expérimental
Le modèle d'équipement de test est BER2500 (IEST), le diamètre de l'électrode est de 14 mm et la plage de pression appliquée est de 5 à 60 MPa. Le dispositif est représenté sur les figures 2(a) et 2(b).
Figure 2. (a) Vue extérieure du BER2500 ; (b) Schéma de structure du BER2500
1.2 Préparation et test des échantillons
1.2.1 Après avoir enrobé uniformément la suspension dans les mêmes conditions de formule de processus, nous utilisons différentes pressions telles que petite, moyenne et grande pour effectuer le pressage au rouleau afin d'obtenir quatre types de pièces polaires finies compactées en 1/2/3/4, dans lesquelles la pression de roulement de la pièce polaire est 1<2<3<4. La densité de compactage des quatre pièces polaires est calculée respectivement par la méthode de pesage de l'épaisseur de coupe, et la densité de compactage indique également 1(1,35g/cm³)<2(1,5g/cm³)<3(1,6g/cm³)<3 (1,6 g/cm³) cm³)<4 (1,65 g/cm³), c'est-à-dire qu'à mesure que la pression de laminage augmente, la densité de compactage montre également une tendance à la hausse.
1.2.2 En combinaison avec l'équipement BER2500, en utilisant le mode de test en régime permanent, avec un intervalle de 5 à 60 MPa, 5 MPa et une pression de maintien pendant 15 s, la compression et la résistance des pièces polaires avec différentes densités de compactage sont comparées et testées. Le processus spécifique du test est le suivant : appliquez une certaine pression à partir de 5 MPa et maintenez-la pendant 15 s, la pièce polaire est comprimée et enregistrez l'épaisseur et la résistance de la pièce polaire en même temps ; puis augmentez la pression à des intervalles de 5MPa, puis enregistrez l'épaisseur et la résistance de la pièce polaire, et ainsi de suite jusqu'à 60MPa ; puis réduire progressivement la pression appliquée pour décharger et enregistrer l'épaisseur et la résistance.
L'analyse des données
Après avoir obtenu quatre électrodes avec différentes densités de compactage, utilisez le mode d'état stable pour effectuer des tests de rebond de compression-décharge de chargement sur la pièce polaire dans différentes conditions de pression quantitative, enregistrez le changement d'épaisseur et utilisez le point de pression initial de 5 MPa comme référence. pour calculer la déformation d'épaisseur Effectuer des calculs normalisés pour obtenir les courbes contrainte-déformation de différentes pièces polaires (comme illustré à la figure 3) et résumer leurs déformations (comme indiqué dans le tableau 1). On peut voir sur le tableau des résultats qu'avec l'augmentation de la pression de roulement de la pièce polaire, la déformation maximale, la déformation réversible et la déformation irréversible des quatre pièces polaires diminuent progressivement (1>2>3>4), mais la tendance à la baisse ralentit progressivement. Cette tendance au changement est étroitement liée à l'effet de remplissage et de compactage de la poudre dans le revêtement de la pièce polaire, y compris l'écoulement et le réarrangement des particules de poudre, la déformation élastique et plastique et l'écrasement. Habituellement, le processus de calandrage de la pièce polaire doit surmonter le frottement, la force de surface, la déformation élastique, la déformation plastique et l'écrasement pour effectuer un travail sur le revêtement de l'électrode afin de compacter l'électrode.
La formulation du matériau de la partie de revêtement conçue dans cette expérience est cohérente. Une pression de roulement différente affectera directement le flux et le réarrangement des particules. L'augmentation de la pression de roulement peut surmonter le frottement entre les particules et faire en sorte que les particules s'arrangent plus étroitement et se combinent les unes avec les autres. plus près. De plus, à mesure que la pression de laminage augmente, la poudre se réarrange d'abord et remplit le trou d'origine; après que les particules sont en contact étroit, la pression continue d'augmenter et les particules interagissent et se déforment élastiquement. Lorsque la pression augmente sur la particule Après une certaine limite d'élasticité, les particules actives subissent une déformation plastique, qui est également la principale raison de l'augmentation progressive de la densité de compactage avec l'augmentation de la pression de laminage. Les formulations de pièce polaire de batterie lithium-ion doivent généralement également ajouter des additifs fonctionnels à la poudre active, tels que des aides à l'écoulement, des liants, des agents conducteurs, etc., ce qui affectera également le changement de l'état général de la pièce polaire sous différentes pressions. Dans la production réelle de pièces polaires, la pièce polaire est affectée par des facteurs complets tels que les conditions de processus, la pression des rouleaux, la tension, la vitesse et les performances de compression de la poudre. La pression globale définie dans l'expérience de cet article est relativement faible, mais la tendance des performances de compression est cohérente avec le processus de production réel, qui peut être utilisé comme un moyen efficace d'évaluation du processus. ce qui affectera également le changement de l'état général de la pièce polaire sous différentes pressions. Dans la production réelle de pièces polaires, la pièce polaire est affectée par des facteurs complets tels que les conditions de processus, la pression des rouleaux, la tension, la vitesse et les performances de compression de la poudre. La pression globale définie dans l'expérience de cet article est relativement faible, mais la tendance des performances de compression est cohérente avec le processus de production réel, qui peut être utilisé comme un moyen efficace d'évaluation du processus. ce qui affectera également le changement de l'état général de la pièce polaire sous différentes pressions. Dans la production réelle de pièces polaires, la pièce polaire est affectée par des facteurs complets tels que les conditions de processus, la pression des rouleaux, la tension, la vitesse et les performances de compression de la poudre. La pression globale définie dans l'expérience de cet article est relativement faible, mais la tendance des performances de compression est cohérente avec le processus de production réel, qui peut être utilisé comme un moyen efficace d'évaluation du processus.
Figure 3. Courbes de contrainte-déformation (performance de compression) de quatre types de pièces polaires
Tableau 1. Résumé des quatre types de déformation de la pièce polaire
Pendant le processus de laminage des pièces polaires de batterie lithium-ion, la déformation de la largeur et de la longueur des pièces polaires est très faible, et le roulement de la pièce polaire peut réduire l'épaisseur du revêtement, augmenter la densité de compactage et améliorer l'adhérence de le revêtement, afin de stabiliser la structure de l'électrode et d'améliorer le but de la capacité de la batterie. Le processus de laminage de la pièce polaire est un processus dans lequel la masse par unité de surface est presque constante et le volume est réduit. Entre les particules, entre les particules et le collecteur de courant, elles sont réunies par un liant. La compression dans le sens de l'épaisseur de la pièce polaire est le résultat de la compression simultanée du collecteur de courant et du revêtement, mais le changement d'épaisseur du collecteur de courant est relativement faible. Il y a aussi interaction entre les particules de poudre et le collecteur de courant. Pendant le processus de laminage, les particules formeront des piqûres sur le collecteur de courant, augmentant ainsi la surface de contact et la cohésion entre le revêtement et le collecteur de courant.
Les figures 4 et 5 montrent respectivement les courbes de variation d'épaisseur et les courbes de variation de résistivité de pièces polaires avec quatre densités de compactage différentes sous une série de pressions plates appliquées en pression en régime permanent. Lorsque la pression augmente, l'épaisseur globale de la pièce polaire devient plus petite dans son ensemble. Après une certaine pression, l'épaisseur de la pièce polaire tend à se stabiliser. Dans le même temps, la pièce polaire est plus susceptible de rebondir lorsque la pression est faible. Par conséquent, dans le test à pression variable, l'épaisseur varie fortement avec la pression. Dans la courbe de résistivité, la tendance de changement des pièces polaires 1 et 2 est supérieure à celle des pièces polaires 3 et 4. Ceci est principalement dû au fait que, par rapport aux pièces polaires 1 et 2, le contact entre les particules de revêtement des pièces polaires 3 et 4 sous une grande pression de roulement et le contact entre le revêtement et le collecteur de courant est plus serré, et la variation de l'épaisseur globale de la pièce polaire lors de la mesure de pression à plat est plus petite. Par rapport aux résultats des tests de résistivité sous différentes pressions, la valeur absolue de la petite pièce polaire à pression de roulement est inférieure à la grande pression de roulement, ce qui peut être dû au fait que le changement de direction de l'épaisseur de la pièce polaire aplatie est plus facile à rendre la conductivité longitudinale de la pièce polaire mieux. Dans l'évaluation réelle de la conductivité électronique, les paramètres les plus raisonnables peuvent être sélectionnés pour les tests en combinaison avec des besoins spécifiques. et la variation de l'épaisseur globale de la pièce polaire lors de la mesure de pression à plat est plus faible. Par rapport aux résultats des tests de résistivité sous différentes pressions, la valeur absolue de la petite pièce polaire à pression de roulement est inférieure à la grande pression de roulement, ce qui peut être dû au fait que le changement de direction de l'épaisseur de la pièce polaire aplatie est plus facile à rendre la conductivité longitudinale de la pièce polaire mieux. Dans l'évaluation réelle de la conductivité électronique, les paramètres les plus raisonnables peuvent être sélectionnés pour les tests en combinaison avec des besoins spécifiques. et la variation de l'épaisseur globale de la pièce polaire lors de la mesure de pression à plat est plus faible. Par rapport aux résultats des tests de résistivité sous différentes pressions, la valeur absolue de la petite pièce polaire à pression de roulement est inférieure à la grande pression de roulement, ce qui peut être dû au fait que le changement de direction de l'épaisseur de la pièce polaire aplatie est plus facile à rendre la conductivité longitudinale de la pièce polaire mieux. Dans l'évaluation réelle de la conductivité électronique, les paramètres les plus raisonnables peuvent être sélectionnés pour les tests en combinaison avec des besoins spécifiques. ce qui peut être dû au fait que le changement de direction d'épaisseur de la pièce polaire aplatie est plus facile pour améliorer la conductivité longitudinale de la pièce polaire. Dans l'évaluation réelle de la conductivité électronique, les paramètres les plus raisonnables peuvent être sélectionnés pour les tests en combinaison avec des besoins spécifiques. ce qui peut être dû au fait que le changement de direction d'épaisseur de la pièce polaire aplatie est plus facile pour améliorer la conductivité longitudinale de la pièce polaire. Dans l'évaluation réelle de la conductivité électronique, les paramètres les plus raisonnables peuvent être sélectionnés pour les tests en combinaison avec des besoins spécifiques.
Figure 4. Courbes de variation d'épaisseur de quatre pièces polaires
Figure 5. Courbes de test de conductivité de quatre pièces polaires
Résumer
Dans ce document,le Équipement d'essai de compteur de résistance de pièce polaire série BER2500est utilisé pour tester les performances de compression et la conductivité des pièces polaires en graphite sous différentes pressions de roulement, ce qui permet de distinguer efficacement les différences de performances des pièces polaires sous différentes pressions de roulement. Dans le processus de production réel, la pression de roulement La sélection de la batterie doit être raisonnablement choisie en combinaison avec la formule de processus spécifique. Tout en augmentant la capacité de la batterie, il peut également améliorer efficacement les performances électriques globales de la batterie.