Cara analisis kanggo kegagalan pembongkaran baterei lithium-ion

Cara analisis kanggo kegagalan pembongkaran baterei lithium-ion

Gagal tuwa baterei lithium-ion minangka masalah umum, lan nyuda kinerja baterei utamane amarga reaksi degradasi kimia ing tingkat materi lan elektroda (Gambar 1). Degradasi elektroda kalebu pamblokiran membran lan pori-pori ing lapisan permukaan elektroda, uga kegagalan retak elektroda utawa adhesi; Degradasi materi kalebu tatanan film ing lumahing partikel, retak partikel, detasemen partikel, transformasi struktural ing lumahing partikel, pembubaran lan migrasi unsur logam, etc Contone, degradasi bahan bisa mimpin kanggo bosok kapasitas lan tambah resistance ing tingkat baterei. Mula, pangerten lengkap babagan mekanisme degradasi sing ana ing njero baterei penting banget kanggo nganalisa mekanisme kegagalan lan ndawakake umur baterei. Artikel iki ngringkes cara mbongkar baterei lithium-ion lawas lan teknik uji fisik lan kimia sing digunakake kanggo nganalisa lan mbongkar bahan baterei.

Gambar 1 Ringkesan mekanisme kegagalan tuwa lan metode analisis umum kanggo elektroda lan degradasi materi ing baterei lithium-ion

1. Cara disassembly baterei

Proses pembongkaran lan analisis baterei sing wis tuwa lan gagal ditampilake ing Gambar 2, sing utamane kalebu:

(1) Baterei pra inspeksi;

(2) Discharge menyang voltase cut-off utawa negara SOC tartamtu;

(3) Transfer menyang lingkungan sing dikontrol, kayata kamar pangatusan;

(4) Mbongkar lan mbukak baterei;

(5) Pisah macem-macem komponen, kayata elektroda positif, elektroda negatif, diafragma, elektrolit, lsp;

(6) Nindakake analisis fisik lan kimia saben bagean.

Gambar 2 Proses Disassembly lan Analisis Baterei Tuwa lan Gagal

1.1 Pra inspeksi lan testing non-destruktif baterei lithium-ion sadurunge disassembly

Sadurunge mbongkar sel, cara uji coba sing ora ngrusak bisa menehi pemahaman awal babagan mekanisme atenuasi baterei. Cara tes umum utamane kalebu:

(1) Pengujian kapasitas: Kahanan tuwa baterei biasane ditondoi dening kahanan kesehatan (SOH), yaiku rasio kapasitas discharge baterei ing wektu t tuwa kanggo kapasitas discharge ing wektu t = 0. Amarga kasunyatan sing kapasitas discharge utamané gumantung ing suhu, ambane discharge (DOD), lan discharge saiki, mriksa biasa kondisi operasi biasane dibutuhake kanggo ngawasi SOH, kayata suhu 25 ° C, DOD 100%, lan tingkat discharge 1C. .

(2) Analisis Kapasitas Diferensial (ICA): Kapasitas diferensial nuduhake kurva dQ / dV-V, sing bisa ngowahi dataran tinggi voltase lan titik infleksi ing kurva voltase dadi puncak dQ / dV. Ngawasi owah-owahan ing puncak dQ/dV (intensitas puncak lan pergeseran puncak) nalika tuwa bisa entuk informasi kayata mundhut materi aktif / mundhut kontak listrik, owah-owahan kimia baterei, discharge, ing daya, lan evolusi lithium.

(3) Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS): Sajrone proses tuwa, impedansi baterei biasane mundhak, nyebabake kinetika luwih alon, sing sebagian amarga bosok kapasitas. Alesan kanggo nambah impedansi disebabake proses fisik lan kimia ing jero baterei, kayata kenaikan lapisan resistance, sing bisa uga amarga SEI ing permukaan anoda. Nanging, impedansi baterei dipengaruhi dening akeh faktor lan mbutuhake modeling lan analisis liwat sirkuit padha.

(4) Inspeksi visual, rekaman foto, lan penimbangan uga minangka operasi rutin kanggo nganalisa baterei lithium-ion sing wis tuwa. Pemriksaan kasebut bisa mbukak masalah kayata deformasi eksternal utawa bocor baterei, sing bisa uga mengaruhi prilaku tuwa utawa nyebabake kegagalan baterei.

(5) Pengujian non-destruktif ing interior baterei, kalebu analisis sinar-X, tomografi komputer sinar-X, lan tomografi neutron. CT bisa mbukak akeh rincian ing jero baterei, kayata deformasi ing baterei sawise tuwa, kaya sing ditampilake ing Gambar 3 lan 4.

Figure 3 Conto karakterisasi non-destruktif saka baterei lithium-ion. a) Gambar transmisi sinar-X saka baterei gulungan jeli; b) CT scan ngarep cedhak terminal positif baterei 18650.

Gambar 4 Axial CT scan baterei 18650 karo deformed jelly roll

1.2. Mbongkar baterei lithium-ion ing SOC tetep lan lingkungan sing dikontrol

Sadurunge dibongkar, baterei kudu diisi utawa dibuwang menyang status pangisian daya (SOC) sing ditemtokake. Saka perspektif safety, dianjurake kanggo nindakake discharge jero (nganti voltase discharge 0 V). Yen ana short circuit nalika proses disassembly, discharge jero bakal ngurangi risiko runaway termal. Nanging, discharge jero bisa nimbulaké owah-owahan materi sing ora dikarepake. Mulane, ing sawetara kasus, baterei dibuwang menyang SOC=0% sadurunge dibongkar. Kadhangkala, kanggo tujuan riset, sampeyan uga bisa nimbang disassembling baterei ing jumlah cilik saka negara daya.

Pembongkaran baterei umume ditindakake ing lingkungan sing dikontrol kanggo nyuda pengaruh hawa lan kelembapan, kayata ing kamar pangatusan utawa kothak sarung tangan.

1.3. Prosedur pembongkaran baterei ion lithium lan pemisahan komponen

Sajrone proses disassembly baterei, perlu kanggo ngindhari sirkuit cendhak eksternal lan internal. Sawise disassembly, misahake positif, negatif, diafragma, lan elektrolit. Proses disassembly tartamtu ora bakal diulang.

1.4. Posting pangolahan sampel baterei sing dibongkar

Sawise komponen baterei dipisahake, sampel wis sakabeheng karo pelarut elektrolit khas (kayata DMC) kanggo mbusak sembarang LiPF6 kristal ampas utawa non molah malih pelarut sing bisa saiki, kang uga bisa nyuda karat saka elektrolit. Nanging, proses reresik uga bisa mengaruhi asil tes sakteruse, kayata ngumbah sing bisa nyebabake mundhut komponen SEI tartamtu, lan DMC rinsing sing mbusak materi insulasi setor ing lumahing grafit sawise tuwa. Adhedhasar pengalaman penulis, umume kudu dicuci kaping pindho kanthi pelarut murni kira-kira 1-2 menit kanggo mbusak tilak uyah Li saka sampel. Kajaba iku, kabeh analisis disassembly tansah dicuci kanthi cara sing padha kanggo entuk asil sing padha.

analisis ICP-OES bisa nggunakake bahan aktif scraped mati elektroda, lan perawatan mechanical iki ora ngganti komposisi kimia. XRD uga bisa digunakake kanggo elektroda utawa bahan wêdakakêna scraped, nanging orientasi partikel saiki ing elektrods lan mundhut saka prabédan orientasi iki ing wêdakakêna scraped bisa mimpin kanggo beda ing kekuatan puncak.

Kanthi nyinaoni retakan ing bahan aktif, bagean salib kabeh baterei lithium-ion bisa disiapake (kaya sing ditampilake ing Gambar 4). Sawise nglereni baterei, elektrolit dibusak, banjur sampel disiapake liwat resin epoxy lan langkah polishing metallographic. Dibandhingake karo pencitraan CT, deteksi bagean salib baterei bisa ditindakake kanthi nggunakake mikroskop optik, sinar ion fokus (FIB), lan mikroskop elektron scanning, nyedhiyakake resolusi sing luwih dhuwur kanggo bagean tartamtu saka baterei.

2. Analisis fisik lan kimia saka bahan sawise disassembly baterei

Gambar 5 nuduhake skema analisis baterei utama lan metode analisis fisik lan kimia sing cocog. Sampel tes bisa saka anoda, katoda, pemisah, kolektor, utawa elektrolit. Sampel padhet bisa dijupuk saka macem-macem bagean: permukaan elektroda, awak, lan bagean salib.

Gambar 5 Komponen internal lan metode karakterisasi fisikokimia baterei lithium-ion

Cara analisis spesifik ditampilake ing Gambar 6, kalebu

(1) Mikroskop optik (Gambar 6a).

(2) Scanning electron microscope (SEM, Gambar 6b).

(3) Mikroskop elektron transmisi (TEM, Gambar 6c).

(4) Spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX, Gambar 6d) biasane digunakake bebarengan karo SEM kanggo njupuk informasi babagan komposisi kimia saka sampel.

(5) Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Gambar 6e) ngidini analisis lan nemtokake kahanan oksidasi lan lingkungan kimia kabeh unsur (kajaba H lan He). XPS sensitif lumahing lan bisa nggambarake owah-owahan kimia ing permukaan partikel. XPS bisa digabung karo sputtering ion kanggo njupuk profil ambane.

(6) Spektroskopi emisi plasma induktif (ICP-OES, Gambar 6f) digunakake kanggo nemtokake komposisi unsur elektroda.

(7) Spektroskopi emisi cemlorot (GD-OES, Gambar 6g), analisis kedalaman nyedhiyakake analisis unsur sampel kanthi sputtering lan ndeteksi cahya sing katon sing dipancarake dening partikel sputtered sing bungah ing plasma. Boten kados metode XPS lan SIMS, analisis jero GD-OES ora diwatesi ing sacedhake permukaan partikel, nanging bisa dianalisis saka permukaan elektroda menyang kolektor. Mulane, GD-OES mbentuk informasi sakabèhé saka lumahing elektroda kanggo volume elektroda.

(8) Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR, Figure 6h) nuduhake interaksi antarane sampel lan radiasi infra merah. Data resolusi dhuwur diklumpukake bebarengan ing sawetara spektral sing dipilih, lan spektrum nyata digawe kanthi nggunakake transformasi Fourier menyang sinyal kanggo nganalisa sifat kimia saka sampel. Nanging, FTIR ora bisa nganalisis senyawa kasebut kanthi kuantitatif.

(9) Spektrometri massa ion sekunder (SIMS, Gambar 6i) nggambarake komposisi unsur lan molekul saka permukaan materi, lan teknik sensitivitas permukaan mbantu nemtokake sifat lapisan passivation elektrokimia utawa lapisan ing kolektor lan bahan elektroda.

(10) Resonansi magnetik nuklir (NMR, Gambar 6j) bisa menehi ciri bahan lan senyawa sing diencerake ing padhet lan pelarut, ora mung nyedhiyakake informasi kimia lan struktur, nanging uga informasi babagan transportasi lan mobilitas ion, elektron lan sifat magnetik, uga termodinamika lan sifat kinetik.

(11) Teknologi difraksi sinar-X (XRD, Gambar 6k) umume digunakake kanggo analisis struktur bahan aktif ing elektroda.

(12) Prinsip dhasar analisis kromatografi, kaya sing ditampilake ing Gambar 6l, yaiku misahake komponen ing campuran banjur nindakake deteksi kanggo analisis elektrolit lan gas.

Gambar 6 Diagram skematis partikel sing dideteksi ing cara analisis sing beda

3. Analisis Elektrokimia Elektrod Rekombinan

3.1. Reassembling setengah baterei lithium

Elektroda sawise Gagal bisa electrochemically analisa dening reinstalling tombol setengah baterei lithium. Kanggo elektroda dilapisi pindho sisi, siji sisih lapisan kudu dicopot. Elektroda sing dipikolehi saka baterei seger lan sing diekstrak saka baterei sing wis lawas dirakit maneh lan ditliti kanthi cara sing padha. Tes elektrokimia bisa entuk kapasitas elektroda sing isih ana (utawa isih) lan ngukur kapasitas sing bisa dibalik.

Kanggo baterei negatif/lithium, tes elektrokimia pisanan kudu mbusak lithium saka elektroda negatif. Kanggo baterei positif/lithium, tes pisanan kudu discharge kanggo nempelake lithium menyang elektroda positif kanggo lithiation. Kapasitas sing cocog yaiku kapasitas elektroda sing isih ana. Supaya diwenehi kapasitas bisa dibalèkaké, elektroda negatif ing setengah baterei lithiated maneh, nalika elektroda positif delithised.

3.2. Gunakake elektroda referensi kanggo nginstal maneh kabeh baterei

Mbangun baterei lengkap nggunakake anode, katoda, lan elektroda referensi tambahan (RE) kanggo njupuk potensial anoda lan katoda sak ngisi daya lan discharging.

Ing ringkesan, saben metode analisis fisikokimia mung bisa mirsani aspek tartamtu saka degradasi ion lithium. Gambar 7 nyedhiyakake ringkesan fungsi metode analisis fisik lan kimia kanggo bahan sawise disassembly baterei lithium-ion. Ing babagan ndeteksi mekanisme penuaan tartamtu, ijo ing tabel nuduhake yen metode kasebut nduweni kemampuan sing apik, oranye nuduhake yen metode kasebut nduweni kemampuan winates, lan abang nuduhake yen ora nduweni kemampuan. Saka Figure 7, cetha yen metode analisis sing beda-beda nduweni kemampuan sing akeh, nanging ora ana cara sing bisa nutupi kabeh mekanisme penuaan. Mula, disaranake nggunakake macem-macem cara analisis pelengkap kanggo sinau conto supaya bisa ngerti kanthi lengkap mekanisme tuwa baterei lithium-ion.

Gambar 7 Ringkesan kapabilitas metode deteksi lan analisis

Waldmann, Thomas, Iturondobeitia, Amaia, Kasper, Michael, et al. Review-Analisis Post-Mortem saka Baterei Lithium-Ion Umur: Metodologi Disassembly lan Teknik Analisis Fisika-Kimia [J]. Jurnal Masyarakat Elektrokimia, 2016, 163(10):A2149-A2164.