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不同體系NCM材料的導(dǎo)電性及壓縮性能評(píng)估

元能科技 2024-04-29 | 閱讀：1148

正極材料是鋰離子電池中最重要的組分之一,，常見的鋰離子電池正極材料有層狀鈷酸鋰,、橄欖石結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰、尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰以及層狀鎳鈷錳三元材料（以下簡(jiǎn)稱NCM）,。其中NCM材料兼?zhèn)淞蒜捤徜?、錳酸鋰和鎳酸鋰三種材料的特點(diǎn)，在一定程度上弱化了它們的不足之處,，具有成本較低,、環(huán)境污染小、毒性低,、能量密度高,、電壓平臺(tái)高等優(yōu)點(diǎn)，因此NCM材料迅速成為鋰離子電池材料發(fā)展的重要方向,。NCM材料中鎳,、鈷、錳3種元素之間有協(xié)同作用,，其結(jié)構(gòu)式一般為LiNixCoyMnzO₂(x+y+z=1),，為六方型層狀結(jié)構(gòu),。其中鎳的存在可以提升材料的比容量，降低材料成本,，但鎳含量過高會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和鎳鋰混排;鈷的存在提升了材料的電子電導(dǎo)率和倍率性能,，但鈷有毒性，且鈷資源匱乏,；錳起著穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)和降低材料成本的作用,，但過高容易產(chǎn)生尖晶石相而破壞材料的層狀結(jié)構(gòu)。本文選取不同鎳含量的三種NCM多晶材料(NCM111,、NCM622、NCM811),，通過測(cè)量其形貌,、電導(dǎo)率、壓實(shí)密度及反彈性能,，評(píng)估材料間的差異,。

圖1. LiCoxMnyNi1-x-yO₂晶體結(jié)構(gòu)⁴

測(cè)試方法

· 三種材料的SEM形貌測(cè)試；

· 采用PRCD3100（IEST-元能科技）對(duì)三種NCM材料進(jìn)行電導(dǎo)率和壓實(shí)密度測(cè)試,，測(cè)試設(shè)備如圖2所示,。

圖2.PRCD3100外觀圖(a) 圖2.PRCD3100結(jié)構(gòu)圖(b)

· 測(cè)試參數(shù)：施加壓強(qiáng)范圍10-200MPa，間隔20MPa,，保壓10s,；

測(cè)試結(jié)果

對(duì)三種NCM材料進(jìn)行SEM形貌測(cè)試，結(jié)果如圖3所示,，（a）,、（b）、（c）分別為NCM111,、NCM622,、NCM811材料的形貌圖，三種材料對(duì)比發(fā)現(xiàn),，都存在大小顆粒的混雜,，且NCM811表面致密性更高，結(jié)構(gòu)更接近于球形,，NCM111次之,，而NCM622形貌上看，表面致密性低,，層狀結(jié)構(gòu)更明顯,。三元材料的電導(dǎo)率和壓縮性能，一方面與顆粒本身的電導(dǎo)率及彈性有關(guān),，另一方面也與粒徑分布差異導(dǎo)致的接觸電阻和孔隙率有關(guān),。

圖3.三種NCM材料的SEM形貌圖

三種NCM材料的電導(dǎo)率和壓實(shí)密度測(cè)試曲線如圖4所示,，從電導(dǎo)率結(jié)果曲線（a）上看，不同壓強(qiáng)點(diǎn)下,，電導(dǎo)率大小表現(xiàn)為：NCM811>NCM622>NCM111,，即選取的這三種NCM材料隨著鎳含量的升高，導(dǎo)電性越來越好,；從壓實(shí)密度曲線(b)上看,，現(xiàn)有加壓測(cè)試條件下，約80MPa以上NCM622壓實(shí)密度大于另兩種NCM材料,，但整體差異不大,。正極材料的壓實(shí)密度和顆粒形狀、粒徑及其分布等因素有關(guān),。如果先不考慮顆粒本身的形變,，粉末顆粒的壓實(shí)過程，就是粉末從松散狀態(tài)在壓力作用下形成最密集堆積的過程,。根據(jù)最密堆積原理,，半徑為R的球形顆粒以六方最緊密方式堆積時(shí)，顆粒之間全部相互接觸,，此時(shí)顆粒之間形成的理論孔隙率為25.94%,，在半徑為R的一次顆粒之間的孔隙可以填充的二次顆粒半徑為0.414R，所有孔隙填充了二次顆粒后,，孔隙率為20.70%,。孔隙內(nèi)依次可以再填充的最大顆粒半徑分別為三次顆粒0.225R,、四次顆粒0.177R,、五次顆粒0.116R，對(duì)應(yīng)的理論孔隙率為19%,、15.8%和14.9%,。當(dāng)顆粒之間全部為最緊密堆積時(shí)，進(jìn)一步施加壓力,，顆粒之間相互受到作用力開始發(fā)生顆粒本身的變形,，首先積累彈性應(yīng)變，壓力卸載時(shí)彈性應(yīng)變反彈回復(fù),，當(dāng)作用力大于材料本身的屈服強(qiáng)度時(shí)顆粒的發(fā)生塑性變形,，應(yīng)變不能恢復(fù)。因此,，顆粒的壓實(shí)密度除了和粉末的形貌,、粒徑有關(guān)外，還和粉末的力學(xué)性質(zhì)有關(guān),。因此,，進(jìn)一步測(cè)試了顆粒的加壓和卸壓下的形變行為,。

圖4.三種NCM材料的電導(dǎo)率曲線(a)

圖4.三種NCM材料的壓實(shí)密度曲線(b)

對(duì)三種材料進(jìn)行加壓和卸壓測(cè)試，按照如圖5（a）中的壓強(qiáng)變化曲線加載壓力,，對(duì)應(yīng)的材料厚度變化以及厚度反彈曲線如圖5（a）和（b）,。同等取樣量下三種NCM粉末進(jìn)行加壓測(cè)試時(shí)，NCM622的厚度反彈量均大于NCM111及NCM811材料,。約在110MPa時(shí),，厚度反彈量逐漸趨于穩(wěn)定說明此時(shí)顆粒之間的孔隙已基本被排除，厚度反彈主要是由于顆粒本身的彈性引起的,。另外采用如圖5（c）的不斷加壓保壓至最大壓強(qiáng)后再卸壓的方式,，得到如圖5（d）的應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過分析最大形變量,、可逆形變量和不可逆形變量,，如表1所示，NCM111可逆形變稍大于NCM622及NCM811,，但整體差異不大,；從應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率上來看,，NCM622的壓縮模量小于NCM111及NCM811,，說明其更易被壓縮。以上測(cè)試結(jié)果可以說明相對(duì)另外兩種NCM材料,，該實(shí)驗(yàn)中選取的NCM622能達(dá)到更高的壓實(shí)密度,。

圖5.三種NCM材料的加壓卸壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1.三種NCM材料的形變量數(shù)據(jù)匯總

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本文采用PRCD3100測(cè)試了NCM111、NCM622,、NCM811三種材料的電導(dǎo)率,、壓實(shí)密度及壓縮性能，發(fā)現(xiàn)隨著鎳含量的增加,，電導(dǎo)率逐漸增大,；但當(dāng)前加壓條件下NCM622的壓縮模量大于NCM111及NCM811，這與其的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān),，結(jié)合三種材料的SEM形貌分析結(jié)果可明顯看出,，NCM622由層狀結(jié)構(gòu)組成的多晶材料，更易被壓縮,，這與實(shí)際的壓縮性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致,。在鋰電研發(fā)過程中，除了通過增加鎳含量來提升電池能量密度,，也可以通過在保證顆粒無破碎的前提下加大極片壓實(shí)密度來提升體積能量密度,，而材料端的電導(dǎo)率和壓實(shí)密度也會(huì)一定程度上影響電芯的性能，因此需要研發(fā)人員綜合評(píng)估鎳含量的影響,。

參考文獻(xiàn)

1. Zhang R, Meng Z, Ma X, et al. Understanding fundamental effects of Cu impurity in different forms for recovered LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 cathode materials[J]. Nano Energy, 2020:105214.

2. 廣順肖. Recent Development on Ni-Co-Mn Ternary Cathode Material for Lithium-Ion Batteries[J]. Material Sciences, 2020, 10(4):201-215.

3. 唐仲豐. 鋰離子電池高鎳三元正極材料的合成,、表征與改性研究[D]: [博士學(xué)位論文]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),，2018.

4. Meng Y S, Arroyo-De Dompablo M E. Recent advances in first principles computational research of cathode materials for lithium-ion batteries[J]. Accounts of Chemical Research, 2013, 46(5):1171-80.

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