リチウムイオン電池の崩壊におけるバインダーの役割を簡単に説明する

リチウムイオン電池の減衰のメカニズムに関するほとんどの研究は、正と負の材料に集中しています。たとえば、多くの研究では、活物質の損失、内部抵抗の増加、およびその他の要因が、バインダーがリチウムである間、リチウムイオン電池の減少を引き起こす主な要因であることが示されています。イオン電池の崩壊が果たす役割についての研究はまだほとんどありません。実際、リチウムイオン電池ではバインダーは小さいですが（通常はアクティブの5％未満）、バインダーは重要な役割を果たします。リチウムイオン電池では、バインダーの役割は、活物質粒子と導電剤粒子を結合して安定したシステムを形成することです。ただし、充電と放電の過程で、正極と負極に一定の体積変化があり、この安定した構造が破壊されます。たとえば、最も一般的なケースは、次の図に示すケース、接着剤/導電剤、および活物質粒子です。それらの間で成層が発生し、活物質が失われ、リチウムイオン電池の可逆容量が低下します。

リチウムイオン電池の衰退における接着剤の役割を分析するために、ポーツマス大学（来て、みんなが私と一緒に読んだ：「ポーツマス」、Bボックス感はありません）JMFosterはモデルメソッドを確立しました接着剤の接着特性に及ぼす活物質の粒子形状とサイクル速度の影響を研究します。研究によると、接着剤が電解質の膨張を吸収した後、楕円形の粒子が粒子の上部と下部のひずみを大幅に増加させる可能性があります。大きな充放電速度（1C以上）はまた、活物質粒子の左側と右側のバインダーのひずみを大幅に増加させ、バッテリーのサイクル性能に影響を与えます。

JMFosterのモデルは、主に3つの仮説で構成されています。1）電極は球状の活物質粒子と弾性多孔質接着剤で構成され、接着剤の微細孔は電解質で満たされています。 2）活物質粒子は、リチウムの挿入と脱リチウム化の過程で発生します。ボリューム拡張; 3）接着剤が電解液に接触した後、接着剤の膨張が起こります。

上記の仮定によれば、JMFosterは数学的な方法を使用してモーターをモデル化します（モデリングプロセスは大量の機械的知識を使用して設計されているため、私はここでは機械の専門家ではなく、ドアに行く方法はありません。興味のある友達は元のテキストを見ることができます）、モデルの結果を直接見てみましょう。

実際の電極には、数千万個の活物質粒子と大量の接着剤があります。電極全体を直接解くことは明らかに非現実的です。そのため、JMFosterは簡略化された方法を採用しています。 JMFosterは、電極エッジの位置を除いて、電極内部の力が非常に均一であると考えているため、電極全体の溶解プロセスを簡略化して、単一の活物質粒子とその周囲の接着剤を溶解できます。これにより、溶液が大幅に簡略化されます。モデルのプロセス。

下の図は、電解質を吸収した後の活物質粒子の周りのバインダーの応力分布を示し、下の図cは、電解質を吸収した後の活物質粒子のP点とE点の付着を示しています。グラフから、バインダー吸収液の膨張後、電極表面近くのP点と集電体のひずみが大きくなり、粒子の左右のE点のひずみが大きくなっていることがわかります。減少すると、結合剤の流動性のために、結合剤は、ひずみの作用下で、活物質粒子の上部および下部から活物質の両側に押し出される。

下の図bは、活物質粒子の体積変化中の周囲の接着剤のひずみ分布を示しています。図から、活物質の体積変化によるバインダー応力分布はほぼ均一であることがわかりますが、注意深く調べたところ、活物質の左右の接着剤のひずみは、活物質の上端と下端の接着剤のひずみ。これは、活物質粒子の左側と右側の接着剤が循環中に層状になる可能性が高いことを示しています。ただし、実際には、サイクル中の正の活物質の体積変化は非常に小さいため（NMCは2〜4％）、活物質粒子の体積膨張によって引き起こされるバインダーひずみの変化は次のようになることに注意する必要があります。実際にはPVDFによるものよりはるかに小さく、接着剤の吸収によって引き起こされる体積膨張です。

以前の分析は球状粒子に関するものでしたが、実際に使用した粒子は他の多くの形状を持っていたため、JMFosterは接着剤のひずみに対するさまざまな粒子形状の影響を分析しました。下の図は、接着剤が吸収された後のひずみ分布に対するさまざまな粒子形状の影響を示しています。計算結果から、P点での楕円粒子の接着ひずみは正であり、E点での粘度は正です。結び目ひずみは負であり、これは前の分析と一致しています。同時に、次の図から、楕円形粒子の整列方向も接着剤のひずみに影響を与えることがわかります。楕円の長辺が電極の表面と平行になると、接着剤のひずみが大幅に増加します。

下の図は、さまざまな帯電率での接着剤のひずみ（図aは正極の接着剤のひずみ、図bは負極の接着剤のひずみ）、および計算に使用された最も遅い帯電率を示しています。必要とされている。充電は3100時間で完了し、最速の充電速度は充電を完了するのに0.031時間しか必要としません。図から、高い帯電率は、活物質粒子Ｅの位置での接着剤のひずみを著しく増加させ、接着剤および活性をもたらすことが分かる。一般に物質粒子の成層化の問題、1Cレートを超える急速充電は、正および負の接着剤に損傷を与え、それによってリチウムイオン電池の寿命に影響を与えます。

JMFosterの研究により、活物質粒子の周りの接着剤のひずみ分布を微視的レベルで明確に理解することができ、接着剤のひずみ分布に影響を与える要因（活物質粒子の形状と電荷および放電率詳細な議論は、電極材料の設計とリチウムイオン電池の配合設計に一定の指針となる重要性を持っています。

このページには、機械翻訳の内容が含まれています。