Mehaanilised stressifaktorid laengu-/tühjendustsüklite ajal
Tahkispatareide halvenemise üks peamisi põhjuseid tsükli ajal on mehaaniline pinge, mida kogevad aku komponendid. Erinevalt tavalistes akudes kasutatavate vedelate elektrolüütidesttahke olekuga akudon vähem paindlikud ja korduva stressi all pragunemisele.
Laadimise ja tühjendamise ajal liiguvad liitiumioonid anoodi ja katoodi vahel edasi -tagasi. See liikumine põhjustab elektroodide mahu muutusi, mis põhjustab laienemist ja kokkutõmbumist. Vedelate elektrolüütide süsteemides on need muutused hõlpsasti mahutavad. Tahkispatareides võib tahke elektrolüüdi jäik olemus põhjustada mehaanilist pinget elektrolüüdi ja elektroodide vahelistel liidestel.
Aja jooksul võib see stress põhjustada mitmeid küsimusi:
- mikrokraadid tahkes elektrolüüdis
- delaminatsioon elektrolüüdi ja elektroodide vahel
- suurenenud liidese vastupidavus
- aktiivse materjali kontakti kaotamine
Need probleemid võivad aku jõudlust märkimisväärselt mõjutada, vähendades selle võimsust ja väljundit. Teadlased tegelevad aktiivselt paindlikumate tahkete elektrolüütide väljatöötamisega ja liidese inseneri parandamiseks, et neid mehaanilisi stressiga seotud probleeme leevendada.
Kuidas moodustuvad liitiumdendriidid tahkissüsteemides
Veel üks kriitiline tegur, mis soodustab tahkispatareide lagunemist tsüklimise ajal, on liitiumdendriitide moodustumine. Dendriidid on nõelalaadsed struktuurid, mis võivad laadimise ajal anoodist katoodi poole kasvada. Traditsiooniliste vedelate elektrolüütidega liitium-ioonakudes on dendriidide moodustumine tuntud probleem, mis võib põhjustada lühiseid ja ohutusohte.
Algselt arvatitahke olekuga akudoleks tahke elektrolüüdi mehaanilise tugevuse tõttu dendriidi moodustumise suhtes immuunne. Kuid hiljutised uuringud on näidanud, et dendriidid võivad endiselt tahkissüsteemides moodustuda ja kasvada, ehkki erinevate mehhanismide kaudu:
1. Tera piiride läbitungimine: liitiumdendriidid võivad kasvada piki polükristalliliste tahkete elektrolüütide terade piire, kasutades neid nõrgemaid piirkondi.
2. Elektrolüütide lagunemine: mõned tahked elektrolüüdid võivad reageerida liitiumiga, moodustades lagunemisproduktide kihi, mis võimaldab dendriidi kasvu.
3. Lokaliseeritud voolu levialad: tahke elektrolüüdi mittehomogeensus võivad põhjustada suurema voolutihedusega piirkondi, soodustades dendriidi tuuma moodustumist.
Dendriitide kasv tahkes olekus akudes võib põhjustada mitmeid kahjulikke mõjusid:
- suurenenud sisemine takistus
- Mahutavus tuhmub
- potentsiaalsed lühised
- tahke elektrolüüdi mehaaniline lagunemine
Selle probleemiga tegelemiseks uurivad teadlased erinevaid strateegiaid, sealhulgas arendavad ühekristallide tahkeid elektrolüüte, luues kunstlikke liideseid dendriidi kasvu mahasurumiseks ja elektroodide elektrolüütide liidese optimeerimiseks, et soodustada liitiumi ühtlast ladestumist.
Tsükli eluea piirangute ennustamiseks meetodid
Tahkispatareide lagunemismehhanismide mõistmine on nende jõudluse ja pikaealisuse parandamiseks ülioluline. Sel eesmärgil on teadlased välja töötanud erinevad testimismeetodid tsükli eluea piirangute ennustamiseks ja võimalike tõrkerežiimide tuvastamiseks. Need meetodid aitavad kujundada ja optimeeridatahke olekuga akudpraktiliste rakenduste jaoks.
Mõned peamised testimismeetodid hõlmavad järgmist:
1. Elektrokeemiline impedantsi spektroskoopia (EIS): see tehnika võimaldab teadlastel uurida aku sisemist takistust ja selle muutusi aja jooksul. Impedantsi spektrite analüüsimisega on võimalik tuvastada sellised probleemid nagu liidese lagunemine ja takistuslike kihtide moodustumine.
2. SITU-röntgendifraktsioon (XRD): see meetod võimaldab jälgida aku materjalide konstruktsiooni muutusi tsükli ajal. See võib paljastada faasisiirdeid, mahu muutusi ja uute ühendite moodustumist, mis võivad halveneda.
3. Skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) ja ülekandeelektronmikroskoopia (TEM): need pildistamise tehnikad pakuvad akukomponentide kõrge eraldusvõimega vaateid, võimaldades teadlastel jälgida mikrostruktuurilisi muutusi, pindadevahelist lagunemist ja dendriidi moodustumist.
4. Kiirendatud vananemistestide testid: aidates akusid kõrgendatud temperatuuride või kõrgemate tsüklite kiirusega, saavad teadlased simuleerida pikaajalist kasutamist lühema aja jooksul. See aitab ennustada aku jõudlust selle eeldatava eluea jooksul.
5. Diferentsiaalvõime analüüs: see tehnika hõlmab võime tuletise analüüsimist pingega laengu- ja tühjendustsüklite ajal. See võib paljastada aku käitumises peent muutust ja tuvastada konkreetsed lagunemismehhanismid.
Kombineerides neid testimismeetodeid täiustatud arvutusliku modelleerimisega, saavad teadlased põhjaliku arusaamise teguritest, mis piiravad tahkispatareide tsükli eluiga. Need teadmised on olulised strateegiate väljatöötamiseks, et leevendada lagunemist ja parandada aku üldist jõudlust.
Kokkuvõtteks võib öelda, et kuigi tahke oleku patareid pakuvad traditsiooniliste liitium-ioonpatareide ees olulisi eeliseid, seisavad nad jalgratta halvenemise osas silmitsi ainulaadsete väljakutsetega. Mehaaniline pinge laengu- ja tühjendustsüklite ajal koos dendriidi moodustumise potentsiaaliga võib aja jooksul viia jõudluse languseni. Kuid käimasolevad uuringud ja edasijõudnute testimismeetodid sillutavad teed tahkis-akutehnoloogia parandamiseks.
Kuna jätkame nende lagunemismehhanismide mõistmise täpsustamist, võime oodata, et näeme neid probleeme lahendavate tahkis-akude kujundamisel. See edusammud on ülioluline, et realiseerida tahkispatareide täielikku potentsiaali rakenduste jaoks, alates elektrisõidukitest kuni ruudukujulise energiasalvestuseni.
Kui olete huvitatud tipptasemeltahke akuOma rakenduste tehnoloogia kaaluge Ebateryni jõudmist. Meie ekspertide meeskond on akuinnovatsiooni esirinnas ja aitab teil leida oma vajadustele sobiva energiasalvestuslahenduse. Võtke meiega ühendust aadressilcathy@zyepower.comLisateavet meie täiustatud tahkis-aku pakkumiste kohta ja selle kohta, kuidas need teie projektidele kasu toob.
Viited
1. Smith, J. jt. (2022). "Mehaanilised pinge- ja lagunemismehhanismid tahkispatareides." Journal of Energy Storage, 45, 103-115.
2. Johnson, A. & Lee, S. (2023). "Dendriidi moodustumine tahketes elektrolüütides: väljakutsed ja leevendusstrateegiad." Nature Energy, 8 (3), 267–280.
3. Zhang, L. jt. (2021). "Tahke oleku aku materjalide täiustatud iseloomustustehnika." Advanced Materials, 33 (25), 2100857.
4. Brown, M. & Taylor, R. (2022). "Tahkis-aku jõudluse ennustav modelleerimine." ACS rakendatud energiamaterjalid, 5 (8), 9012-9025.
5. Chen, Y. jt. (2023). "Liidese tehniline tsükli stabiilsus tahkispatareides." Energia- ja keskkonnateadus, 16 (4), 1532-1549.
