Aplikácia uhlíkovej{0}}medenej fólie používanej v lítiových{1}}iónových batériách

S rýchlym rozvojom sektora nových energetických vozidiel rastie dopyt po vyššej hustote energie v lítium-iónových sekundárnych batériách. Zlepšenie špecifickej energie batérií nielen prospieva dojazdu elektrických vozidiel, ale môže tiež výrazne zmierniť súčasnú výzvu vysokých nákladov. Keďže hustota energie lítium-iónových batérií neustále rastie, kombinácia vysoko-niklových katód s kremíkovými{5}}uhlíkovými anódami sa stala štandardnou konfiguráciou pre vývoj -vysoko{7}}energetickej-hustoty lítium-iónových- batérií ďalšej generácie. Kremík však prechádza počas cyklov nabíjania a vybíjania významnými objemovými zmenami, čo vedie k rozdrveniu častíc aktívneho materiálu, strate kontaktných bodov s vodivými činidlami a dokonca k odpojeniu od zberača prúdu. Výsledkom je rýchly pokles kapacity a skrátená životnosť kremíkových{12}uhlíkových anód, čo bráni ich použitiu v lítium{13}}iónových batériách.

Vývoj kremíkových-uhlíkových anódových materiálov je už dlho stredobodom výskumu lítium{1}}iónových batérií, ktorý sa primárne sústreďuje na optimalizáciu a úpravu samotného materiálu. To zahŕňa optimalizáciu veľkosti častíc a štruktúry kremíkového materiálu, ako aj štruktúry a metód kremíkového -uhlíkového zloženia. Na dosiahnutie praktickej aplikácie kremíkových{5}}uhlíkových anódových materiálov si optimalizácia počas procesu navrhovania a výroby elektród a dokonca aj batérií získala čoraz väčšiu pozornosť a výskum. Príklady zahŕňajú optimalizáciu vodivých činidiel, spojív používaných v suspenznom procese, plošnej hustoty povlaku, hustoty zhutnenia, zloženia elektrolytu a procesov tvorby.

Medená fólia ako kľúčový komponent elektródy podporuje aktívny materiál zápornej elektródy, pričom zbiera generované elektróny a vedie ich do vonkajšieho obvodu, aby vytvoril prúd. Ak je adhézia medzi aktívnym materiálom a medenou fóliou nedostatočná, častice kremíka-uhlík sa môžu počas cyklovania ľahko oddeliť od medenej fólie v dôsledku ich veľkých objemových zmien, čo vedie k slabému výkonu cyklu. Na zlepšenie životnosti batérií táto štúdia používa na napájanie batérií medenú fóliu potiahnutú vodivou uhlíkovou vrstvou. Pomocou stohovacieho procesu boli vyrobené 9,5 Ah vreckové napájacie články s ternárnym materiálom ako katódou a uhlíkovým kompozitom z oxidu kremičitého- ako anódou. Skúmali sa účinky medenej fólie potiahnutej uhlíkom v porovnaní s bežnou obojstrannou{8}} hladkou medenou fóliou na rýchlostnú kapacitu, výkonnosť pri vysokej/nízkej{9}} teplote a cyklickú výkonnosť článkov.

V našich experimentoch sme použili uhlíkom-potiahnutú medenú fóliu na báze holej fólie, potiahnutú na oboch stranách vodivým uhlíkom a živicovým spojivom. To slúži na zvýšenie vodivosti zberača prúdu, zaisťuje dobrý prechodový odpor a súčasne zvyšuje priľnavosť medzi aktívnym materiálom a zberačom prúdu, čím sa zlepšuje životnosť batérie. SEM snímky obojstrannej-hladkej medenej fólie, uhlíkom{4}}potiahnutej medenej fólie a elektródových plátov odhaľujú, že obojstranný{5}}hladký povrch medenej fólie je plochý. Vodivé uhlíkové častice na povrchu uhlíkovej-medenej fólie sú rovnomerne rozložené, s priemerom častíc približne 15-20 nm a vykazujú sférickú-štruktúru spojenú dohromady živicovým lepidlom. Povrch je voľný a porézny, čo účinne zvyšuje priľnavosť aktívneho materiálu ku kolektoru prúdu. Okrem toho sa zväčší kontaktná plocha medzi aktívnym materiálom a zberačom prúdu, čo pomáha znižovať prechodový odpor elektródového listu. Pozorovania povrchu a štruktúry prierezu SiO-C anódového listu ukazujú rovnomernú distribúciu častíc, pričom častice zostávajú neporušené bez lámania pri hustote zhutnenia 1,6 g/cm3.

Základné parametre plechov negatívnych elektród vyrobených s použitím rôznych medených fólií naznačujú, že pevnosť odtrhnutia plechu s uhlíkovou -potiahnutou medenou fóliou je výrazne zvýšená v porovnaní s použitím obojstrannej- hladkej medenej fólie, zatiaľ čo merný odpor elektródového listu je znížený. To demonštruje, že vrstva uhlíkového povlaku môže zväčšiť kontaktnú plochu medzi aktívnym materiálom a zberačom prúdu, zlepšiť elektronickú vodivosť elektródového listu a znížiť kontaktný odpor medzi aktívnym materiálom a zberačom prúdu. Okrem toho uhlíková vrstva obsahujúca živicové spojivo pôsobí ako prechodová vrstva, ktorá posilňuje väzbu medzi aktívnym materiálom a zberačom prúdu.

Čiastočné údaje o elektrochemickom výkone 9,5 Ah vrecových článkov vyrobených z rôznych medených fólií vrátane napätia v otvorenom obvode, vnútorného odporu striedavého prúdu, reverzibilnej kapacity, účinnosti počiatočného nabíjania- a využitia špecifickej kapacity katódy boli získané spriemerovaním meraní z 10 vzorkových bodov. Porovnanie ukazuje, že vnútorný AC vnútorný odpor článku s uhlíkovou -potiahnutou medenou fóliou je nižší ako pri článku s obojstrannou- hladkou medenou fóliou. Je to predovšetkým preto, že elektródový plát vyrobený z uhlíkovej{8}}medenej fólie má nižší odpor, čím sa znižuje celkový prechodový odpor článku. Špecifické využitie kapacity článku s medenou fóliou potiahnutou uhlíkom{10} je o niečo nižšie (o 0,5 mAh/g) ako pri článku s obojstrannou hladkou medenou fóliou. Môže to byť spôsobené zavedením uhlíkového povlaku, ktorý vedie k menšej interkalácii lítium{14}iónov, spotrebúvaniu niektorých lítiových iónov a zvyšovaniu ireverzibilnej kapacity článku.

Krivky vybíjania vrecových článkov zostavených s dvoma typmi medenej fólie pri rôznych rýchlostiach pri izbovej teplote ukazujú, že so zvyšujúcou sa rýchlosťou vybíjania sa výbojová plošina oboch typov článkov znižuje a vybíjacia kapacita sa postupne zmenšuje. Významný inflexný bod poklesu sa objaví, keď rýchlosť vybíjania dosiahne 4C. Je to hlavne preto, že so zvyšujúcim sa výbojovým prúdom lítiové ióny po uvoľnení elektrónov nemôžu rýchlo opustiť anódu a difundovať do elektrolytu, čím vytvárajú podstatný gradient koncentrácie lítium-iónu. To zvyšuje elektródový potenciál potrebný na to, aby sa lítiové ióny vrátili ku katóde, čo vedie k zvýšenému vnútornému tlaku v článku a následnému zníženiu výbojovej plató. Pri porovnaní vyššie uvedených kriviek rýchlosti vybíjania a rýchlosti zadržania vybíjacej kapacity pri rôznych rýchlostiach sú vybíjacie plošiny dvoch typov článkov v podstate identické pri rovnakej rýchlosti. Za nízke ceny (<3C), the discharge capacity retention rates of the two cell types largely overlap. When the discharge rate increases to 4C and 5C, the discharge capacity retention rate of the carbon-coated copper foil cell is slightly higher than that of the double-sided smooth copper foil cell. This is primarily related to the carbon coating enhancing the conductivity of the cell and reducing contact resistance.

Krivky cyklu vrecových článkov zostavených z dvoch typov medenej fólie v podmienkach nabíjania-1C/1C pri izbovej teplote ukazujú, že po 300 cykloch je miera zachovania kapacity 89,5 % v prípade článku z medenej fólie potiahnutej uhlíkom{5}} v porovnaní s 84,2 % v prípade článku z obojstrannej- hladkej medenej fólie. Cyklická stabilita uhlíkového-článku z medenej fólie je výrazne lepšia v porovnaní s obojstranným-článkom z hladkej medenej fólie. Táto výhoda vyplýva z dvoch hlavných aspektov: po prvé, vodivá uhlíková vrstva potiahnutá na povrchu medenej fólie zväčšuje kontaktnú plochu medzi aktívnym materiálom a medenou fóliou a porézna povrchová štruktúra poskytuje viac kontaktných miest pre aktívny materiál, čím sa zvyšuje interakcia so zberačom prúdu; po druhé, prítomnosť živicového spojiva v uhlíkovom povlaku ďalej posilňuje adhéziu medzi aktívnym materiálom a medenou fóliou. Tým sa výrazne potláča jav rozomletia aktívneho materiálu v anódach na báze kremíka{13}} spôsobený veľkou rýchlosťou rozpínania častíc po viacerých cykloch, čím sa účinne predlžuje životnosť batérie.

(1) Zvyšuje pevnosť v odlupovaní listu elektródy SiO-C a zároveň znižuje jeho odpor.
(2) Zlepšuje výkon pri vysokých/nízkých{1}}teplotách a rýchlosť, ale nie výrazne.
(3) Účinne zvyšuje výkon cyklov kremíkových{1}}batérií. V porovnaní s obojstrannou- hladkou medenou fóliou sa miera zachovania kapacity po 300 cykloch pri rýchlosti nabíjania/vybíjania 1C zlepšila o 5,2 %.

Referencie

Čínska národná znalostná infraštruktúra (CNKI)
Výskum a aplikácia medenej fólie potiahnutej uhlíkom v kremíkovej -lítium{1}}iónovej batérii
Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co., Ltd.
Shen Xiaohui

OBRAŤTE SA NA NÁŠ TECHNICKÝ TÍM

Môžete navštíviť náš odkaz na produktwwwpre viac podrobností