リチウム電池へのセラミックコーティングの適用

リチウムイオン電池は、高電圧、高容量、小型、軽量、環境保護、長寿命などの優れた利点があります。それらはさまざまな携帯用電子製品および電気自動車で広く利用されています。しかし、リチウムイオン電池の安全性には、特に高温、過充電、短絡などの安全上の問題があり、パワータイプのリチウムイオン電池を使用する場合には克服しなければならない技術的問題となっています。大規模に適用されます。

現在、多くのリチウム電池メーカーは、セラミックパウダーを使用して、負極部品やセラミックセパレーター、およびGGクォートに関連するその他の材料をコーティングしています。リチウム電池の安全性を向上させます。実際、セラミック粉末はGGクォートではなく、セラミックGGクォートではなく、ナノサイズのアルミナ粒子です。ナノアルミナは、重要なアプリケーションの価値と開発の見通しを持つ特別な機能性ナノ材料の1つです。高い熱安定性、化学的安定性、耐食性、高硬度などの優れた特性を備えています。セラミック材料や生体材料に広く使用されています。医療材料、半導体材料、触媒担体、表面保護層材料、光学材料。ナノアルミナが優れた断熱材であると考えられ、リチウムイオン電池の安全性能の向上に大きな貢献が期待されるのは、まさにそのような優れた熱安定性のためです。

現在、ナノアルミナは主に電極またはダイヤフラムのコーティングに使用され、ダイヤフラムの安全性を向上させ、内部短絡率を低減しています。

1.陽極セラミックコーティング

現在、セラミック粉末は一般にCMCと混合され、脱イオン水に溶解されてスラリーを形成します。次に、スラリーをポールピースにコーティングし、乾燥後のSEMでのポールピースの状態を図1に示します。図1の写真（a）と（b）で、セラミックコーティングが均一であることは明らかです粒子の形で負極の表面に分布しています。リチウム電池の性能に及ぼすセラミックコーティングの影響は次のとおりです。

図1. 2種類の非循環負極ポールピースのSEM

1.セラミックコーティングは、リチウム電池の容量に明らかな影響を与えません。

2.セラミックパウダーを追加すると、リチウム電池の内部抵抗が増加します。これは、セラミックコーティングの主成分が非導電性のAl2O3であるためです。負極材料の表面にセラミックをコーティングすると、負極への電子の経路が妨げられるため、バッテリーの本体抵抗が増加します。

3.セラミックコーティングバッテリーのサイクル性能は、セラミックコーティングなしのバッテリーよりも優れています。また、負極表面にセラミック粉末をコーティングすることにより、負極表面の不動態化効果を高め、電子絶縁性を高めることで、高温保存下での電池の電気的性能の低下を効果的に抑制できます。サイクリング後のバッテリーポールピースのSEM分析を図2に示します。

図2. 2サイクル後の負極ポールピースのSEM

図からわかるように、非セラミックコーティングされた負極の表面は、充放電プロセス中にリチウムが堆積することによって形成された化合物であると推定される微粒子の層で覆われています。セラミックコーティングされた負極は、比較的滑らかでセラミックポールピースの表面に均一に分布しています。電池のサイクル性能はセラミックコーティングに関係していると推測できます。バッテリーのサイクル中に、ネガティブSEIフィルムは成長し、厚くなります。厚すぎるSEIフィルムは、より多くのリチウムイオンを消費するだけでなく、充電中にリチウムを発生させます。イオンは、負極にうまく埋め込むことができませんが、負極の表面またはセパレーターの表面にさえ沈殿し、サイクル中に容量が失われます。負極の表面にセラミックセパレーターの層をコーティングすることは、負極のＳＥＩフィルムの成長を効果的にブロックすることができ、それにより、サイクル中のリチウムイオンの損失を減らすことができる。さらに、電解液はバッテリーサイクル中に分解し続け、セラミックコーティングには一定の液体吸収能力があります。これにより、長期間の充電および放電サイクル中の電解質の容量維持率が向上します。したがって、セラミックコーティングは、三元リチウムイオン電池のサイクル性能を向上させることができます。

4.セラミックコーティングバッテリーの安全性は、非セラミックコーティングバッテリーよりも高くなっています。 2つの異なるバッテリーを同じ実験条件下で鍼実験にかけ、その結果を図3に示します。

図3. 2つのバッテリーの鍼治療の結果

図3から、セラミック被覆電池の鍼治療のピーク温度は123.1℃であることがわかります。テスト後、バッテリーはわずかに膨れ、煙や爆発はありません。非セラミック被覆電池のピーク温度は410℃です。テスト中、バッテリーが爆発して発煙し、上部カバーが壊れ、テストは失敗しました。上記の現象の原因は、負極表面のセラミック皮膜によるものと考えられる。ニードルパンチングはバッテリーの短絡をシミュレートするため、短時間で大量の熱が発生し、負極表面のセラミックコーティングがニードルパンチングプロセス中の熱損失を遅らせる可能性があります。急激に増加することで、電解液の熱分解を遅らせ、短時間に大量のガスが発生することによる電池の爆発を防ぎます。したがって、セラミックコーティングにより、リチウムイオンバッテリーの安全性能が大幅に向上します。

2.セラミックダイアフラム

現在、研究者は主に正極材料と負極材料、セパレーター、電解質、および電池設計の点で電池性能を改善しています。その中でも、セラミックセパレーターは、バッテリーの性能を向上させる効果的な方法です。セラミックセパレーターは、バッテリーの安全性能を向上させるだけでなく、バ​​ッテリーのサイクル性能を向上させ、自己放電率を低下させることができます。セラミックダイヤフラムには、化学蒸着や表面コーティングなど、さまざまな製造方法があります。セラミックダイヤフラムは、リチウムイオンバッテリーのサイクルと安全性能を向上させることができますが、その準備プロセスを制御することは困難であり、ダイヤフラム上のセラミックもサイクル中に脱落する傾向があります。

1.形態の違い

市場で一般的に使用されているダイアフラムは、PP、PE、または2種類の複合加工で作られています。これらの微孔性ポリオレフィンセパレーターは優れた機械的強度と化学的安定性を備えていますが、これらのセパレーターは準備プロセス中に内部応力があり、高温環境で応力が解放され、セパレーターには明らかな熱収縮効果があり、正と負の違いになります。バッテリー内部の電極材料が直接接触すると内部短絡が発生し、安全性が低下します。セパレーターの表面にナノアルミナ粒子をコーティングすると、リチウム電池の安全性を効果的に向上させることができます。セラミック粉末をPVDFおよびNMPに溶解して混合し、均一に分散させた後、コーティング機の電源を入れて、PEダイアフラムにセラミック粉末をコーティングします。セラミックコーティングの厚さを制御でき、80℃で24時間乾燥することによりセラミックダイヤフラムを作製します。セラミックダイアフラムの微細形態を図4に示します。

図4. PEおよびセラミックダイヤフラムの微細形態

図から、コーティングされたナノA2O3粒子がPE膜の表面を完全に覆い、粒子間に大きなボイドが不均一に分布していることがわかります。これらの大きなボイドの存在により、Li +の挿入と抽出が容易になり、電解液の液体吸収と液体保持の性能が優れているため、リチウム電池の充放電性能に影響を与えません。コーティングはコーティングされています。

2.熱収縮の程度

セラミックコーティングは、ダイヤフラムの高温耐性を向上させるのに役立ちます。セラミックダイアフラムと通常のダイアフラムを異なる温度のボックスに2時間入れます。 2種類のダイヤフラムの収縮には大きな違いがあります。実験結果を図5に示します。

図5.異なる温度での2度のダイヤフラム収縮

ダイアフラムは、準備プロセス中の牽引と伸張による内部応力を持っているため、ダイアフラムは高温で収縮します。高温環境では、ダイヤフラムの内部分子鎖の動きにより応力が解放され、広い領域で収縮します。しかし、セラミックコーティングダイヤフラムは140度で収縮します。ダイヤフラム自体の形態は、℃のベーキング条件でのダイヤフラムの色の変化を除いて変化していません。ダイアフラム表面の両面にコーティングされた無機コーティングが高い耐熱性と断熱性能を備えていると、ベースダイアフラム自体の温度が下がり、ダイアフラムが高温になります。元の形は環境に残ります。

3.セラミックダイヤフラムは、バッテリーの安全性を向上させるのに役立ちます

図6. 2種類のダイヤフラムで組み立てられたバッテリーの内部抵抗と温度の関係

温度が融点より高い場合、PEセパレーターは広い領域で収縮するため、バッテリー内部の正極と負極の極片が直接接触して内部短絡を引き起こします。したがって、測定されたバッテリーの内部抵抗は急速に減少します。ただし、150でもコーティングされたセパレーターの場合セパレーター自体の形態は、℃で焼成しても変化しないため、バッテリー内部で短絡が発生せず、バッテリーの内部抵抗が増加します。 PEセパレーターは、高温環境での機械的安定性を失い、バッテリー内部の正極と負極が直接接触して短絡を引き起こします。セラミックコーティングセパレーターは高温耐性があり、バッテリー内部の短絡を効果的に防止し、バッテリーの安全性能を向上させます。

4.セラミックダイヤフラムの電池寿命への影響

リチウムイオンバッテリーセパレーターは、バッテリー内部の正極と負極のポールピースを絶縁するだけでなく、優れたイオン透過性も必要です。セパレータの無機コーティングは、セパレータの厚さを増加させ、イオン伝導性に影響を与える可能性があるためです。しかし、実験はその影響が弱いことを証明していますが（図7）、セラミックコーティングを施したダイアフラムの方がサイクルパフォーマンスが優れています。

図7. 2種類のダイヤフラムバッテリーのサイクル性能の比較

PP / PEセパレーターは非極性で、疎水性の表面と低い表面エネルギーを備えています。エチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどの極性有機電解質を濡らして維持することは困難です。これは、サイクル性能とバッテリーの使用に直接影響します。寿命は、水酸基の存在により無機セラミックの表面が親水性である一方で、その導入により、ダイヤフラムまたは電極の電解液への湿潤および保持能力が大幅に向上し、バッテリーのサイクル性能が大幅に向上します。同時に、ナノアルミナ粒子は大きな比表面積を持っているため、極片に対する電解質の濡れ性と液体保持を向上させることができ、バッテリーのサイクル寿命にも役立ちます。

総括する：

要約すると、セラミックコーティングは、リチウムイオン電池の性能、特にリチウム電池の安全性能に重要な影響を与えます。電極とダイヤフラムの表面のセラミック化により、バッテリーの内部短絡率が大幅に低下し、安全性が向上するだけでなく、電極とダイヤフラムの電解液の濡れ性が向上し、分極が減少し、バッテリーの全体的な性能が向上します。したがって、セラミックコーティングの適用は、将来のリチウムイオン電池の開発において避けられない傾向です。