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背景
鋰離子電池作為現(xiàn)代電子設(shè)備和電動(dòng)汽車的主要能源存儲(chǔ)設(shè)備,其性能受到多種因素的影響,其中溫度是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)境變量。隔膜作為鋰離子電池中的關(guān)鍵組件,其主要功能是隔離正負(fù)極以防止短路,同時(shí)允許鋰離子在電解液中自由傳輸,隔膜的離子電導(dǎo)率直接影響電池的充放電性能和整體效率。研究表明,溫度的變化會(huì)顯著影響隔膜的微觀結(jié)構(gòu)和電解液的離子傳輸特性,進(jìn)而影響隔膜的離子電導(dǎo)率。隨著溫度的升高,電解液的粘度降低,離子遷移速率加快,從而提高隔膜的離子電導(dǎo)率。然而,過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致隔膜材料的軟化或熔化,破壞其多孔結(jié)構(gòu),進(jìn)而降低離子傳輸效率。相反,低溫下電解液的粘度增加,離子遷移速率減慢,導(dǎo)致隔膜的離子電導(dǎo)率下降。因此,研究溫度對(duì)隔膜離子電導(dǎo)率的影響對(duì)于優(yōu)化鋰離子電池的性能和安全性具有重要意義。
本文通過(guò)測(cè)試隔膜在不同溫度下的離子電導(dǎo)率變化,探討溫度對(duì)隔膜離子電導(dǎo)率的影響規(guī)律。
一、測(cè)試條件&方法
1.1 測(cè)試設(shè)備
采用元能科技自研的多通道離子電導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng)(EIC2400M-T,IEST)如圖1所示,該設(shè)備包含4個(gè)測(cè)試通道,可提供高純氬氛圍,實(shí)現(xiàn)多通道對(duì)稱電池的電化學(xué)阻抗譜測(cè)試。壓力范圍10~50Kg,頻率范圍100KHz~0.01Hz。
圖1. 多通道離子電導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng)
1.2 測(cè)試樣品
隔膜A
1.3 測(cè)試流程&隔膜離子電導(dǎo)率計(jì)算方法:
將隔膜按照1層,2層,3層,4層放到對(duì)應(yīng)的4個(gè)通道中——>關(guān)閉設(shè)備倉(cāng)門,對(duì)內(nèi)腔進(jìn)行抽真空-充高純氬氣,除去內(nèi)腔中的水分——>對(duì)各通道進(jìn)行定量注液——>達(dá)到浸潤(rùn)時(shí)間后,自動(dòng)測(cè)試EIS——>最后通過(guò)軟件的擬合、計(jì)算得到隔膜的離子電導(dǎo)率。隔膜離子電導(dǎo)率的計(jì)算方法如下所示:以每層隔膜的EIS為基線進(jìn)行擬合,擬合線與X軸交點(diǎn)為Rs,則為n層隔膜的阻抗Rs(n),如圖2(a)所示。將層數(shù)為X軸,每層的阻抗值為Y軸做線性擬合,所得到的線性擬合方程的斜率即為單層隔膜的離子阻抗R,如圖2(b)所示。
圖2. 不同隔膜層數(shù)的EIS阻抗譜(a);R值擬合圖(b)
將得到的離子阻抗R代入公式1計(jì)算可得到隔膜離子電導(dǎo)率。
σ=d /( R * S) (1)
其中,σ為離子電導(dǎo)率,d為隔膜厚度,R為離子電阻,S為隔膜反應(yīng)面積。
二、結(jié)果分析
圖3. 隔膜在不同溫度下的電化學(xué)阻抗譜
表1. 隔膜A在不同溫度下的離子電阻值和離子電導(dǎo)率值
圖4. 隔膜離子電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系圖
圖3為隔膜在不同溫度下測(cè)得的EIS阻抗譜,以得到的EIS為基線進(jìn)行線性擬合,記錄擬合線與X軸的交點(diǎn)值,如表1所示,可以得到1~4層隔膜的阻抗值R1,R2,R3,R4。以層數(shù)為X軸,R1,R2,R3,R4為Y軸做線性擬合得到隔膜離子電阻,再將離子電阻代入公式計(jì)算得到離子電導(dǎo)率,結(jié)果列于表1。從圖4的趨勢(shì)圖可以看出隨著溫度的升高,隔膜的離子電導(dǎo)率明顯增加。
電解液的粘度是影響離子電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)Stokes-Einstein方程,離子的遷移速率與電解液的粘度成反比。因此,當(dāng)溫度升高時(shí),電解液的粘度降低,鋰離子的遷移速率加快,導(dǎo)致隔膜的離子電導(dǎo)率增加。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出,隨著溫度從25°C升高到70°C,隔膜的離子電導(dǎo)率從0.7691mS/cm增加到1.8336 mS/cm。除了電解液粘度的變化,溫度也影響隔膜的微觀結(jié)構(gòu)。隔膜的多孔結(jié)構(gòu)是鋰離子傳輸?shù)闹饕ǖ?。隨著溫度的升高,隔膜材料的分子運(yùn)動(dòng)加劇,可能導(dǎo)致隔膜的孔徑擴(kuò)大或孔隙率增加,從而進(jìn)一步促進(jìn)離子的傳輸。然而,過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致隔膜材料的軟化或熔化,破壞其多孔結(jié)構(gòu),進(jìn)而降低離子傳輸效率。隔膜A在高溫下表現(xiàn)出較高的離子電導(dǎo)率,表明其材料在高溫下仍能保持較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
三、總結(jié)
本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了隔膜在不同溫度下的離子電導(dǎo)率變化,發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)隔膜離子電導(dǎo)率有顯著影響。隨著溫度的升高,隔膜的離子電導(dǎo)率呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但不同隔膜的離子電導(dǎo)率隨溫度變化的速率有所不同。隔膜A在高溫下表現(xiàn)出較高的離子電導(dǎo)率,表明其材料在高溫下仍能保持較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。溫度對(duì)隔膜離子電導(dǎo)率的影響不僅與隔膜材料的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān),還與電解液的粘度變化密切相關(guān)。因此,全面深入了解溫度對(duì)隔膜微觀結(jié)構(gòu)和電解液性能的影響,對(duì)于優(yōu)化鋰離子電池的性能和安全性具有重要意義。通過(guò)合理選擇隔膜材料和電解液,可以有效提高鋰離子電池在寬溫度范圍內(nèi)的性能,延長(zhǎng)電池的使用壽命。
產(chǎn)品咨詢&定制服務(wù)
元能科技是一家專注于鋰離子電池檢測(cè)儀器研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè),致力于為全球新能源領(lǐng)域提供領(lǐng)先的檢測(cè)解決方案與服務(wù)。
元能科技注重前沿技術(shù)研發(fā),擁有材料、物理、化學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、人工智能等多學(xué)科多專業(yè)交叉的研發(fā)團(tuán)隊(duì),圍繞表征方法、設(shè)備技術(shù)、應(yīng)用方案等開(kāi)展自主研發(fā),推出多款行業(yè)領(lǐng)先的新型儀器,獲得了多項(xiàng)發(fā)明專利及實(shí)用新型專利,服務(wù)于全球眾多材料企業(yè)、電芯企業(yè)、終端企業(yè)、科研院所、高校及政府檢測(cè)單位。同時(shí),元能科技積極推動(dòng)建立行業(yè)上下游規(guī)范統(tǒng)一的檢測(cè)方法,主導(dǎo)或參與制定多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,助力新能源行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展!
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