Le mécanisme de formation et la prévention du lithium dendritique

Forme:

Pour faire simple, le lithium dendritique signifie que la teneur en lithium incorporé dans le graphite dépasse sa tolérance et que les ions lithium en excès se combineront avec les électrons acheminés de l'électrode négative et commenceront à se déposer à la surface de l'électrode négative. Lors du chargement de la batterie, l'extérieur donne une tension à l'extérieur, de sorte que les ions lithium à l'intérieur du matériau d'électrode positive peuvent être extraits dans le milieu électrolyte. De même, les ions lithium dans l'électrolyte se déplaceront vers la couche de carbone sous la condition de la différence de tension externe. Le graphite a un canal en couches et le lithium entrera dans le canal pour former un composé de carbone-lithium avec du carbone, formant un composé d'intercalation de graphite tel que LiCx (x=1 ~ 6). La réaction électrochimique sur l'électrode négative d'une batterie au lithium peut être exprimée par la formule suivante:

Dans cette formule, il y a un paramètre qui est, si les deux sont additionnés, du lithium dendritique sera produit. Voici un concept que tout le monde connaît, composé d'intercalation en graphite. Les composés interlaminaires de graphite (GIC en abrégé) sont des composés cristallins qui utilisent des méthodes physiques ou chimiques pour insérer des réactifs sans carbone entre les couches de graphite et se combinent avec le plan du réseau hexagonal du carbone tout en conservant la structure du graphite en couches.

Fonctionnalités:

La dendrite lithium est généralement déposée sur la position de contact entre le séparateur et l'électrode négative. Les étudiants qui ont de l'expérience dans le démontage de batteries devraient souvent trouver une couche de matériau gris sur le séparateur. Oui, il s'agit de précipitations de lithium. Le lithium dendrite est un lithium métallique formé après que les ions lithium aient reçu des électrons, et le lithium métal ne peut plus former d'ions lithium pour participer aux réactions de charge et de décharge de la batterie, ce qui entraîne une diminution de la capacité de la batterie. Le lithium dendrite se développe de la surface de l'électrode négative vers le séparateur. Si du lithium métal est déposé en continu, il finira par percer le séparateur et entraîner un court-circuit dans la batterie, ce qui causera des problèmes de sécurité de la batterie.

Facteurs qui influencent:

Les principaux facteurs affectant la formation du lithium dendritique sont: la rugosité de la surface de l'électrode négative, le gradient de concentration en ion lithium, la densité de courant, etc. En outre, le film SEI, le type d'électrolyte, la concentration en soluté et la distance effective entre les électrodes positive et négative affectent toutes le dendritique La formation de lithium a une certaine influence.

1. Rugosité de surface de l'électrode négative

La rugosité de surface de l'électrode négative affecte la formation de lithium dendritique. Plus la surface est rugueuse, plus la formation de lithium dendritique est propice. La formation du lithium dendritique implique l'électrochimie, la cristallographie, la thermodynamique et la cinétique. David R. Ely Il y a une description détaillée dans l'article.

2. Gradient de concentration et distribution des ions lithium

Une fois que les ions lithium ont été extraits du matériau d'électrode positive, ils passent à travers l'électrolyte et le séparateur et acceptent des électrons au niveau de l'électrode négative. Pendant le processus de charge, la concentration en ions lithium de l'électrode positive augmente progressivement et la concentration en ions lithium de l'électrode négative diminue en raison de l'acceptation continue des électrons. Dans une solution diluée à haute densité de courant, la concentration ionique deviendra 0. Sur cette base, Fleury et al. Le modèle établi avec Chazalviel montre que lorsque la concentration ionique est réduite à 0, l'électrode négative formera une charge d'espace locale et formera une structure dendritique. La vitesse de croissance de la structure dendritique est la même que la vitesse de migration des ions dans l'électrolyte.

3. Densité de courant

Dans l'article Dendrite Growth in Lithium / Polymer Systems, l'auteur estime que le taux de croissance de la pointe du lithium dendritique est étroitement lié à la densité de courant, comme le montre la formule suivante:

Si la densité de courant est réduite, la croissance du lithium dendritique peut être retardée dans une certaine mesure, comme le montre la figure ci-dessous:

Comment éviter:

Le mécanisme de formation du lithium dendritique est encore clair, mais il existe de nombreux modèles de croissance du lithium métal. Selon la formation de lithium dendritique et les facteurs d'influence, la formation de lithium dendritique peut être évitée des aspects suivants:

1). Contrôlez la planéité de la surface du matériau de l'électrode négative.

2). La taille des particules d'électrode négative doit être inférieure au rayon thermodynamique critique.

3). Régule la mouillabilité des électrodépositions.

4). Limitez le potentiel de placage en dessous de la valeur critique. De plus, le mécanisme traditionnel de charge et de décharge peut être amélioré. Par exemple, la méthode par impulsions peut être envisagée.

5). Ajoutez des additifs d'électrolyte qui stabilisent l'interface électrode négative-électrolyte

6). Remplacez l'électrolyte liquide par un gel / électrolyte solide à haute résistance

7). Établissez une couche protectrice de surface d'anode au lithium à haute résistance

Enfin, laissez deux questions à la fin de l'article pour que tout le monde puisse en discuter:

1). Où se produit la réaction électrochimique de l'ion lithium? L'un est le transfert de masse en phase solide après que la réaction électrochimique des ions lithium sur la surface du graphite atteint la saturation. La seconde est que les ions lithium migrent dans les couches de graphite à travers les joints de grains des cristallites de graphite et réagissent à l'intérieur du graphite.

2). La réaction entre les ions lithium et le graphite forme-t-elle des composés carbone-lithium et le lithium dendritique se produit-elle simultanément ou séquentiellement?