Mecanismul de formare și prevenirea litiului dendritic

Formă:

Mai simplu spus, litiu dendritic înseamnă că conținutul de litiu încorporat în grafit își depășește toleranța, iar excesul de ioni de litiu se va combina cu electronii scoși din electrodul negativ și vor începe să se depună pe suprafața electrodului negativ. În procesul de încărcare a bateriei, exteriorul dă o tensiune către exterior, astfel încât ionii de litiu din interiorul materialului pozitiv al electrodului să poată fi extrase în mediul electrolitic. În mod similar, ionii de litiu din electrolit se vor deplasa către stratul de carbon sub condiția diferenței de tensiune externe. Grafitul are un canal stratificat, iar litiul va intra în canal pentru a forma un compus carbon-litiu cu carbon, formând un compus de intercalare a grafitului, cum ar fi LiCx (x=1 ~ 6). Reacția electrochimică asupra electrodului negativ al unei baterii cu litiu poate fi exprimată prin următoarea formulă:

În această formulă, există un parametru care este, dacă cele două sunt însumate, se va produce litiu dendritic. Iată un concept pe care toată lumea îl cunoaște, compus de intercalație de grafit. Compușii interlaminari ai grafitului (GICs pe scurt) sunt compuși cristalini care utilizează metode fizice sau chimice pentru a insera reactanți non-carbon între straturile de grafit și se combină cu planul hexagonal de carbon al rețelei, menținând în același timp structura de grafit stratificat.

Caracteristici:

Dendritul de litiu se depune în general pe poziția de contact dintre separator și electrodul negativ. Studenții care au experiență în demontarea bateriilor ar trebui să găsească adesea un strat de material gri pe separator. Da, sunt precipitații cu litiu. Dendritul de litiu este un metal de litiu format după ce ionii de litiu primesc electroni, iar metalul de litiu nu mai poate forma ioni de litiu pentru a participa la reacțiile de încărcare și descărcare ale bateriei, rezultând o scădere a capacității bateriei. Dendritul de litiu crește de la suprafața electrodului negativ spre separator. Dacă litiul metalic este depozitat continuu, acesta va străpunge în cele din urmă separatorul și va provoca un scurtcircuit în baterie, provocând probleme de siguranță a bateriei.

Factori care influențează:

Principalii factori care afectează formarea litiului dendritic sunt: ​​rugozitatea suprafeței negative a electrodului, gradientul de concentrație a ionului de litiu, densitatea curentului etc. În plus, filmul SEI, tipul de electrolit, concentrația solutului și distanța efectivă între electrozii pozitivi și negativi toți afectează dendriticul Formarea litiului are o anumită influență.

1. Rugozitatea suprafeței electrodului negativ

Rugozitatea suprafeței electrodului negativ afectează formarea litiului dendritic. Cu cât suprafața este mai aspră, cu atât este mai favorabil formarea litiului dendritic. Formarea litiului dendritic implică electrochimie, cristalografie, termodinamică și cinetică. David R. Ely Există o descriere detaliată în articol.

2. Gradientul și distribuția concentrației ionilor de litiu

După extragerea ionilor de litiu din materialul pozitiv al electrodului, aceștia trec prin electrolit și separator și acceptă electroni la electrodul negativ. În timpul procesului de încărcare, concentrația de ioni de litiu a electrodului pozitiv crește treptat, iar concentrația de ioni de litiu a electrodului negativ scade datorită acceptării continue a electronilor. Într-o soluție diluată cu o densitate mare de curent, concentrația de ioni va deveni 0. Pe această bază, Fleury și colab. Modelul stabilit cu Chazalviel arată că atunci când concentrația de ioni este redusă la 0, electrodul negativ va forma o sarcină spațială locală și va forma o structură dendritică. Rata de creștere a structurii dendritice este aceeași cu rata de migrare a ionilor din electrolit.

3. Densitatea curentului

În articolul Dendrite Growth in Lithium / Polymer Systems, autorul consideră că rata de creștere a vârfului litiului dendritic este strâns legată de densitatea curentului, așa cum se arată în următoarea formulă:

Dacă densitatea de curent este redusă, creșterea litiului dendritic poate fi întârziată într-o anumită măsură, așa cum se arată în figura de mai jos:

Cum să evitați:

Mecanismul de formare a litiului dendritic este încă clar, dar există multe modele de creștere a litiului metalic. Conform formării litiului dendritic și a factorilor de influență, formarea litiului dendritic poate fi evitată din următoarele aspecte:

1). Controlați planeitatea suprafeței materiale a electrodului negativ.

2). Dimensiunea particulelor de electrod negativ trebuie să fie mai mică decât raza critică termodinamică.

3). Reglați umectabilitatea electrodepozitelor.

4). Limitați potențialul de placare sub valoarea critică. În plus, mecanismul tradițional de încărcare și descărcare poate fi îmbunătățit. De exemplu, metoda impulsului poate fi luată în considerare.

5). Adăugați aditivi electroliți care stabilizează interfața negativă electrod-electrolit

6). Înlocuiți electrolitul lichid cu gel / electrolit solid de înaltă rezistență

7). Stabiliți un strat protector de suprafață cu anod de litiu de înaltă rezistență

În cele din urmă, lăsați două întrebări la sfârșitul articolului pentru ca toată lumea să le poată discuta:

1). Unde apare reacția electrochimică a ionului de litiu? Unul este transferul de masă în fază solidă după ce reacția electrochimică a ionilor de litiu de pe suprafața grafitului ajunge la saturație. Al doilea este că ionii de litiu migrează în straturile de grafit prin limitele granulelor cristalitelor de grafit și reacționează în interiorul grafitului.

2). Reacția dintre ionii de litiu și grafit formează compuși carbon-litiu și litiu dendritic apare simultan sau secvențial?