Aplikace uhlíkové-potažené měděné fólie používané v lithiových-iontových bateriích

S rychlým rozvojem odvětví nových energetických vozidel roste poptávka po vyšší hustotě energie v lithiových-iontových sekundárních bateriích. Zlepšení měrné energie baterií nejen prospívá dojezdu elektromobilů, ale může také významně zmírnit současný problém vysokých nákladů. Vzhledem k tomu, že energetická hustota lithium-iontových baterií neustále roste, stala se kombinace vysoko-niklových katod s křemíkovými{5}}uhlíkovými anodami standardní konfigurací pro vývoj -nové generace vysoko-energetických-lithium{9}}iontových baterií s vysokou hustotou. Křemík však podléhá značným objemovým změnám během nabíjecích a vybíjecích cyklů, což vede k rozmělnění částic aktivního materiálu, ztrátě kontaktních bodů s vodivými činidly a dokonce k oddělení od sběrače proudu. To vede k rychlému poklesu kapacity a zkrácení životnosti křemíkových{12}}uhlíkových anod, což brání jejich použití v lithium-iontových bateriích.

Vývoj křemíkových-uhlíkových anodových materiálů byl dlouho středem zájmu výzkumu lithium-iontových baterií, který se primárně soustředil na optimalizaci a úpravu samotného materiálu. To zahrnuje optimalizaci velikosti a struktury částic křemíkového materiálu, stejně jako struktury a metod křemíkového -uhlíkového skládání. Abychom dosáhli praktické aplikace materiálů křemíkových uhlíkových anod, optimalizace během procesu navrhování a výroby elektrod a dokonce i baterií si získává stále větší pozornost a výzkum. Příklady zahrnují optimalizaci vodivých činidel, pojiv používaných v suspenzním procesu, plošnou hustotu povlaku, hustotu zhutnění, složení elektrolytu a procesy tvorby.

Jako klíčová součást elektrody měděná fólie podporuje aktivní materiál záporné elektrody, zatímco shromažďuje generované elektrony a vede je do vnějšího obvodu, aby vytvořily proud. Pokud je adheze mezi aktivním materiálem a měděnou fólií nedostatečná, mohou se částice křemíkového-uhlíku během cyklování snadno oddělit od měděné fólie kvůli jejich velkým objemovým změnám, což vede ke špatnému výkonu cyklu. Aby se zlepšila životnost baterií, tato studie používá k napájení baterií měděnou fólii potaženou vodivou uhlíkovou vrstvou. Pomocí stohovacího procesu byly vyrobeny 9,5 Ah pouzdrové energetické články s ternárním materiálem jako katodou a uhlíkovým kompozitem z oxidu křemíku- jako anodou. Byly zkoumány účinky měděné fólie potažené uhlíkem ve srovnání s běžnou oboustrannou hladkou měděnou fólií na rychlost, výkon při vysokých/nízkých-teplotách a cyklický výkon článků.

V našich experimentech jsme použili měděnou fólii potaženou uhlíkem -na bázi holé fólie, která je na obou stranách potažena vodivým uhlíkem a pryskyřičným pojivem. To slouží ke zvýšení vodivosti sběrače proudu, zajišťuje dobrý přechodový odpor a současně zvyšuje adhezi mezi aktivním materiálem a sběračem proudu, čímž se zlepšuje životnost baterie. SEM snímky oboustranné-hladké měděné fólie, uhlíkem{4}}potažené měděné fólie a elektrodových plechů ukazují, že oboustranný-hladký povrch měděné fólie je plochý. Vodivé uhlíkové částice na povrchu měděné fólie potažené uhlíkem- jsou rovnoměrně rozmístěny, s průměrem částic přibližně 15-20 nm, vykazují kulovitou-strukturu spojenou dohromady pryskyřičným lepidlem. Povrch je volný a porézní, což účinně zvyšuje přilnavost aktivního materiálu ke sběrači proudu. Kromě toho se zvětší kontaktní plocha mezi aktivním materiálem a sběračem proudu, což pomáhá snížit kontaktní odpor elektrodového listu. Pozorování povrchu a struktury příčného řezu SiO-C anodového plechu ukazují rovnoměrnou distribuci částic, přičemž částice zůstávají neporušené bez lámání při hustotě zhutnění 1,6 g/cm3.

Základní parametry plechů záporných elektrod vyrobených s použitím různých měděných fólií naznačují, že pevnost odlupování plechu s měděnou fólií potaženou uhlíkem je výrazně zvýšena ve srovnání s oboustrannou hladkou měděnou fólií-, zatímco měrný odpor elektrodového plechu je snížen. To ukazuje, že uhlíková povlaková vrstva může zvětšit kontaktní plochu mezi aktivním materiálem a sběračem proudu, zlepšit elektronickou vodivost elektrodového plátu a snížit kontaktní odpor mezi aktivním materiálem a sběračem proudu. Navíc uhlíková vrstva obsahující pryskyřičné pojivo působí jako přechodová vrstva, posilující vazbu mezi aktivním materiálem a sběračem proudu.

Dílčí údaje o elektrochemickém výkonu 9,5 Ah sáčkových článků vyrobených z různých měděných fólií, včetně napětí v otevřeném obvodu, vnitřního odporu střídavého proudu, reverzibilní kapacity, účinnosti počátečního nabití-vybíjení a využití specifické kapacity katody, byly získány zprůměrováním měření z 10 vzorků. Srovnání ukazuje, že střídavý vnitřní odpor článku používajícího měděnou fólii potaženou uhlíkem - je nižší než vnitřní odpor článku používajícího oboustrannou hladkou měděnou fólii -. Je to především proto, že elektrodový plech vyrobený z měděné fólie potažené uhlíkem- má nižší měrný odpor, čímž se snižuje celkový přechodový odpor článku. Specifické využití kapacity článku s měděnou fólií potaženou uhlíkem je o něco nižší (o 0,5 mAh/g) než u článku s oboustrannou hladkou měděnou fólií. To může být způsobeno zavedením uhlíkového povlaku vedoucího k menší interkalaci lithium-iontů, spotřebování některých iontů lithia a zvýšení nevratné kapacity článku.

Výbojové křivky váčkových článků sestavených se dvěma typy měděné fólie při různých rychlostech při pokojové teplotě ukazují, že jak se rychlost výboje zvyšuje, výbojová plošina obou typů článků se snižuje a výbojová kapacita se postupně zmenšuje. Významný inflexní bod poklesu se objeví, když rychlost vybíjení dosáhne 4C. Je tomu tak především proto, že s rostoucím vybíjecím proudem nemohou ionty lithia po uvolnění elektronů rychle opustit anodu a difundovat do elektrolytu, čímž vzniká podstatný gradient koncentrace lithium-iontů. To zvyšuje elektrodový potenciál potřebný pro návrat lithných iontů ke katodě, což vede ke zvýšení vnitřního tlaku v článku a následnému snížení vybíjecího plató. Při porovnání výše uvedených křivek rychlosti vybíjení a rychlosti zadržování vybíjecí kapacity při různých rychlostech jsou vybíjecí plošiny dvou typů článků v podstatě identické při stejné rychlosti. Za nízké 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.

Cyklické křivky váčkových článků sestavených ze dvou typů měděné fólie za podmínek nabíjení- 1C/1C při pokojové teplotě ukazují, že po 300 cyklech je míra zachování kapacity 89,5 % u článku z měděné fólie s uhlíkovým{5}}potahem, ve srovnání s 84,2 % u článku z oboustranné hladké měděné fólie. Cyklická stabilita článku z měděné fólie s uhlíkovým-potahem je výrazně zlepšena ve srovnání s-oboustranným článkem z hladké měděné fólie. Tato výhoda pramení ze dvou hlavních aspektů: za prvé, vodivá uhlíková vrstva potažená na povrchu měděné fólie zvětšuje kontaktní plochu mezi aktivním materiálem a měděnou fólií a porézní povrchová struktura poskytuje více kontaktních míst pro aktivní materiál, čímž se zvyšuje interakce se sběračem proudu; za druhé, přítomnost pryskyřičného pojiva v uhlíkovém povlaku dále posiluje adhezi mezi aktivním materiálem a měděnou fólií. To výrazně potlačuje jev rozmělňování aktivního materiálu v anodách na bázi křemíku{13}} způsobený velkou rychlostí rozpínání částic po několika cyklech, čímž se účinně prodlužuje životnost baterie.

(1) Zvyšuje pevnost v odlupování listu anodové elektrody SiO-C a zároveň snižuje její měrný odpor.
(2) Zlepšuje výkon při vysokých/nízkých-teplotách a rychlost, ale ne výrazně.
(3) Účinně zvyšuje výkon cyklu křemíkových{1}}baterií. Ve srovnání s oboustrannou hladkou měděnou fólií se míra zachování kapacity po 300 cyklech při rychlosti nabíjení/vybíjení 1C zlepšila o 5,2 %.

Reference

Čínská národní znalostní infrastruktura (CNKI)
Výzkum a aplikace měděné fólie potažené uhlíkem v křemíkové -lithium-iontové baterii
Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co., Ltd.
Shen Xiaohui