تجزیه و تحلیل مکانیسم‌های خوردگی در سلول‌های آهن لیتیوم آلومینیومی{0}: افزایش ایمنی و طول عمر

با توسعه سریع وسایل نقلیه جدید انرژی، سیستم ذخیره انرژی و صنایع الکترونیک مصرفی، الزامات ایمنی، چگالی انرژی و عمر چرخه باتری‌های لیتیوم{0} یون به طور مداوم در حال افزایش است. به لطف استحکام مکانیکی عالی، ماهیت سبک وزن، و قابلیت های اتلاف حرارت عالی، روکش های آلومینیومی به یک راه حل کلیدی بسته بندی برای بسیاری از باتری های ذخیره انرژی و انرژی تبدیل شده اند. به طور خاص، پوشش های آلومینیومی به طور گسترده ای در باتری های قدرت منشوری استفاده می شود که حفاظت ساختاری و مدیریت حرارتی قابل اعتمادی را برای سلول های باتری ارائه می دهد.

 

در مقایسه با سلول‌های کیسه‌ای و طرح‌های باتری استوانه‌ای خاص، باتری‌های آلومینیومی{0}}مقاومت در برابر ضربه و پایداری ابعادی بالاتری دارند. مخصوصاً در سیستم‌های باتری با ظرفیت بالا-، روکش‌های آلومینیومی به طور موثری استحکام کلی سلول‌ها را افزایش می‌دهند و خطر تغییر شکل ناشی از استرس مکانیکی خارجی را در حین حمل و نقل و کار کاهش می‌دهند. در نتیجه، آنها به طور گسترده در حمل و نقل ریلی، ذخیره انرژی نیرو و کاربردهای وسایل نقلیه انرژی جدید استفاده می شوند.

 

در شرایط عملیاتی معمولی، یک لایه غیرفعال اکسید متراکم و پایدار بر روی سطح پوشش آلومینیومی تشکیل می شود. این فیلم محافظ به طور موثر از تماس مستقیم بین بستر فلزی و محیط خارجی جلوگیری می کند و در نتیجه مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می دهد. برای پوشش‌های آلومینیومی مورد استفاده در سلول‌های باتری لیتیومی-پلیمری، یکپارچگی این لایه غیرفعال‌سازی مستقیماً با قابلیت اطمینان طولانی مدت و عمر مفید محفظه باتری مرتبط است.

 

تجزیه و تحلیل بیشتر با استفاده از طیف‌سنجی پراکنده انرژی (EDS) نشان داد که در حالی که پوشش سالم عمدتاً از آلومینیوم تشکیل شده است، مناطق خورده حاوی مقادیر قابل توجهی اکسیژن و کربن هستند. این نشان می دهد که فرآیند خوردگی شامل تشکیل محصولات جدید واکنش شیمیایی و تغییرات پیچیده الکتروشیمیایی است.

 

تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس (XRD) نشان داد که محصولات خوردگی عمدتاً از کربنات لیتیوم و مقادیر جزئی ترکیبات لیتیوم-آلومینیوم تشکیل شده است. این نشان می‌دهد که تحت شرایط خاص، یون‌های لیتیوم در واکنش‌های شیمیایی روی سطح پوشش شرکت می‌کنند. در مورد محفظه‌های باتری لیتیومی منشوری، اگر یک اتصال الکتریکی بین الکترود منفی و محفظه ایجاد شود، یون‌های لیتیوم ترجیحاً ممکن است به سمت محفظه مهاجرت کرده و تحت واکنش بین‌المللی قرار گیرند.

 

از نظر مکانیکی، شبکه فلزی آلومینیوم دارای یک پیکربندی ساختاری است که با یون لیتیوم درون‌آمیخته می‌شود. هنگامی که الکترود منفی مستقیماً با محفظه تماس پیدا می کند، ممکن است برخی از یون های لیتیوم وارد شبکه آلومینیومی شوند و ترکیبات آلومینیومی{1} لیتیوم را تشکیل دهند. همانطور که واکنش ادامه می یابد، محصولات میانی مانند اکسید لیتیوم و هیدروکسید لیتیوم روی سطح پوشش تشکیل می شوند. این یک دلیل اصلی است که چرا نمونه های خورده شده قلیایی مشخصی از خود نشان می دهند.

 

با پیشرفت خوردگی، این ترکیبات لیتیوم با دی اکسید کربن اتمسفر واکنش داده و در نهایت رسوبات کربنات لیتیوم قابل توجهی را تولید می کنند. برای محفظه باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LFP)، چنین رسوب‌هایی نه تنها یکپارچگی ساختاری بدنه را به خطر می‌اندازند، بلکه مصرف الکترولیت را تسریع می‌کنند و امپدانس داخلی را افزایش می‌دهند که منجر به کاهش مداوم ظرفیت باتری می‌شود.

 

 

فراتر از خود واکنش های شیمیایی، تغییرات در پتانسیل پوشش عامل مهمی است که بر خوردگی تأثیر می گذارد. تحقیقات نشان می‌دهد که در حالی که اختلاف پتانسیل قابل‌توجهی بین پوشش و الکترود منفی در یک سلول سالم حفظ می‌شود، این تفاوت در سلول‌هایی که در معرض خوردگی هستند به صفر می‌رسد. برای سلول‌های یونی لیتیوم{2}} با پوشش آلومینیومی، اختلاف پتانسیل کم اغلب نشانه‌ای از خرابی در سیستم عایق است و در نتیجه شرایطی ایجاد می‌کند که به واکنش خوردگی اجازه پیشرفت می‌دهد.

 

از دیدگاه تولید، کلید جلوگیری از خوردگی در افزایش قابلیت اطمینان عایق پوشش نهفته است. فرآیندهای تولید برای پوشش های آلومینیومی باید به شدت ابعاد الکترود، تحمل ابعادی و موقعیت مونتاژ را کنترل کنند. به طور همزمان، طرح های عایق در ناحیه زبانه باید تقویت شوند تا از تماس مستقیم بین الکترود منفی و پوشش جلوگیری شود. علاوه بر این، مکانیسم های قوی برای نظارت بر پتانسیل پوشش و غربالگری محصولات باید ایجاد شود تا سلول های دارای خطرات بالقوه در اولین مرحله ممکن شناسایی شوند.

 

به طور خلاصه، خوردگی پوشش آلومینیوم اساساً یک فرآیند پیچیده الکتروشیمیایی است که توسط تماس غیرعادی بین الکترود منفی و الکترود منفی هدایت می شود.پوسته باتری آلومینیومیکه باعث ایجاد یک واکنش زنجیره ای می شود که در آن یون های لیتیوم به فلز آلومینیوم وارد می شود. همانطور که باتری‌های با چگالی بالا-انرژی{2}} تکامل می‌یابند، بهینه‌سازی مواد پوشش آلومینیومی، ارتقاء ساختارهای عایق و پیشرفت‌های مستمر در فناوری‌های بازرسی خطی برای افزایش ایمنی، قابلیت اطمینان و عمر مفید باتری‌های لیتیومی بسیار مهم خواهد بود.