Phân tích cơ chế ăn mòn trong nhôm-Pin sắt lithium có vỏ: Nâng cao tính an toàn và tuổi thọ

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp phương tiện sử dụng năng lượng mới, hệ thống lưu trữ năng lượng và điện tử tiêu dùng, các yêu cầu về độ an toàn, mật độ năng lượng và vòng đời của pin lithium{0}}ion không ngừng tăng lên. Nhờ độ bền cơ học tuyệt vời, tính chất nhẹ và khả năng tản nhiệt vượt trội, vỏ nhôm đã trở thành giải pháp đóng gói quan trọng cho nhiều loại pin lưu trữ năng lượng và năng lượng. Đặc biệt, vỏ nhôm được sử dụng rộng rãi trong pin năng lượng lăng trụ, mang lại khả năng bảo vệ cấu trúc và quản lý nhiệt đáng tin cậy cho pin.

 

So với các ngăn dạng túi và một số thiết kế pin hình trụ nhất định, pin có vỏ nhôm-có khả năng chống va đập và ổn định kích thước vượt trội. Đặc biệt là trong các hệ thống pin có công suất-công suất cao, vỏ nhôm tăng cường hiệu quả độ cứng tổng thể của các tế bào và giảm nguy cơ biến dạng do ứng suất cơ học bên ngoài gây ra trong quá trình vận chuyển và vận hành; do đó, chúng được sử dụng rộng rãi trong vận chuyển đường sắt, lưu trữ năng lượng và các ứng dụng phương tiện sử dụng năng lượng mới.

 

Trong điều kiện hoạt động bình thường, một lớp thụ động oxit dày đặc và ổn định hình thành trên bề mặt vỏ nhôm. Lớp màng bảo vệ này ngăn chặn hiệu quả sự tiếp xúc trực tiếp giữa nền kim loại và môi trường bên ngoài, từ đó tăng cường khả năng chống ăn mòn. Đối với vỏ nhôm được sử dụng trong pin lithium{2}}polymer, tính toàn vẹn của lớp thụ động này liên quan trực tiếp đến độ tin cậy lâu dài và tuổi thọ sử dụng của vỏ pin.

 

Phân tích sâu hơn bằng cách sử dụng phương pháp quang phổ tán sắc năng lượng (EDS) cho thấy rằng mặc dù lớp vỏ nguyên vẹn chủ yếu bao gồm nhôm nhưng các khu vực bị ăn mòn lại chứa một lượng đáng kể oxy và carbon. Điều này chỉ ra rằng quá trình ăn mòn liên quan đến việc hình thành các sản phẩm phản ứng hóa học mới và những thay đổi điện hóa phức tạp.

 

Phân tích nhiễu xạ tia X{0}}(XRD) cho thấy sản phẩm ăn mòn bao gồm chủ yếu là liti cacbonat và một lượng nhỏ hợp chất nhôm liti-. Điều này cho thấy rằng, trong những điều kiện cụ thể, các ion lithium tham gia vào các phản ứng hóa học trên bề mặt vỏ. Trong trường hợp vỏ pin lithium hình lăng trụ, nếu kết nối điện hình thành giữa điện cực âm và vỏ, các ion lithium có thể di chuyển về phía vỏ và trải qua phản ứng xen kẽ.

 

Về mặt cơ học, mạng kim loại nhôm có cấu hình phù hợp với sự xen kẽ ion lithium. Khi điện cực âm tiếp xúc trực tiếp với vỏ, một số ion lithium có thể xâm nhập vào mạng nhôm để tạo thành các hợp chất nhôm lithium. Khi phản ứng diễn ra, các sản phẩm trung gian như oxit liti và hydroxit liti hình thành trên bề mặt vỏ; đây là lý do chính khiến các mẫu bị ăn mòn có độ kiềm rõ rệt.

 

Khi quá trình ăn mòn tiến triển, các hợp chất lithium này phản ứng với carbon dioxide trong khí quyển, cuối cùng tạo ra lượng cặn lithium cacbonat đáng kể. Đối với vỏ pin lithium iron phosphate (LFP), cặn lắng như vậy không chỉ làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn về cấu trúc của vỏ mà còn làm tăng tốc độ tiêu thụ chất điện phân và tăng trở kháng bên trong, dẫn đến suy giảm dung lượng pin liên tục.

 

 

Ngoài các phản ứng hóa học, những thay đổi về điện thế vỏ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ăn mòn. Nghiên cứu chỉ ra rằng mặc dù vẫn duy trì sự chênh lệch điện thế đáng kể giữa vỏ và điện cực âm trong tế bào khỏe mạnh, nhưng sự khác biệt này giảm xuống gần bằng 0 trong tế bào đang bị ăn mòn. Đối với tế bào ion lithium-có vỏ nhôm, hiệu điện thế thấp thường báo hiệu sự cố trong hệ thống cách điện, do đó tạo điều kiện cho phép phản ứng ăn mòn diễn ra.

 

Từ góc độ sản xuất, chìa khóa để ngăn chặn sự ăn mòn nằm ở việc nâng cao độ tin cậy của lớp cách nhiệt của vỏ. Quy trình sản xuất vỏ nhôm phải kiểm soát chặt chẽ kích thước điện cực, dung sai kích thước và vị trí lắp ráp; đồng thời, thiết kế cách điện ở khu vực tab phải được gia cố để tránh sự tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực âm và vỏ. Hơn nữa, cần thiết lập các cơ chế mạnh mẽ để giám sát tiềm năng vỏ và sàng lọc các sản phẩm để xác định các tế bào có nguy cơ tiềm ẩn ở giai đoạn sớm nhất có thể.

 

Tóm lại, ăn mòn vỏ nhôm về cơ bản là một quá trình điện hóa phức tạp được thúc đẩy bởi sự tiếp xúc bất thường giữa điện cực âm vàVỏ pin nhôm, gây ra phản ứng dây chuyền liên quan đến sự xen kẽ của các ion lithium vào kim loại nhôm. Khi pin mật độ-năng lượng{2}}cao phát triển, việc tối ưu hóa vật liệu vỏ nhôm, nâng cấp cấu trúc cách điện và những tiến bộ liên tục trong-công nghệ kiểm tra nội tuyến sẽ rất quan trọng để nâng cao độ an toàn, độ tin cậy và tuổi thọ của pin lithium{4}}ion.