Vliv tloušťky uhlíkového povlaku hliníkové fólie na výkon lithiových-iontových baterií

Hliníková fólie je primární katodový sběrač proudu v komerčních lithium-iontových bateriích. Konvenční sběrače proudu z hliníkové fólie však představují několik problémů, včetně přechodového odporu na rozhraní mezi pevnou fólií a jednotkami aktivního materiálu katody, což vede k významnému mezifázovému odporu. Slabá adheze s aktivním materiálem spojená s kontinuálními změnami objemu elektrody během nabíjecích/vybíjecích cyklů může způsobit oddělení aktivního materiálu („zaprášení“), urychlení vyblednutí kapacity a snížení životnosti. Dále se produkty oxidačního rozkladu elektrolytu mohou účastnit elektrochemických reakcí na hliníkové fólii a urychlovat její korozi. K vyřešení těchto problémů byly prozkoumány různé metody modifikace hliníkové fólie, včetně chemického leptání, elektrochemického leptání, stejnosměrné anodizace, korónového ošetření a vodivých povlaků (jako jsou grafenové povlaky, povlaky z uhlíkových nanotrubiček a kompozitní povlaky) aplikované na povrch substrátu. Některé z nich se již používají v komerčních produktech. V posledních letech se široce rozšířily vodivé povlaky, zejména hliníková fólie potažená uhlíkem-. Primárními důvody jsou jejich schopnost snížit mezifázový přechodový odpor katodového kolektoru proudu, zmírnit polarizaci a následně do určité míry zvýšit schopnost vybíjení baterie.

Současný výzkum fólií s uhlíkovým{0}}potahem se primárně zaměřuje na kompatibilitu fólií s katodovými složeními a na výkonnost. Metody jako chemická koroze, elektrochemické leptání a korónová úprava mohou zlepšit smáčivost a drsnost povrchu hliníkové fólie, snížit odpor přenosu náboje a zvýšit rychlost a cyklický výkon. Bylo prokázáno, že povlaky, jako je grafen, uhlíkové nanotrubice a antikorozní- povlaky, zlepšují výkon buněk. Například jedna studie poznamenala, že grafenový povlak vedl k nárůstu vnitřního odporu o pouhých 5 mΩ po 50 cyklech, což prokázalo dobrou adhezi. I když byl proveden významný výzkum v oblasti kalových systémů, implementace procesů a technologií povrchové úpravy, vliv tloušťky uhlíkového povlaku na celkový výkon článku, zejména na rychlost a cyklický výkon katod Lithium Iron Phosphate (LFP), byl hlášen jen zřídka. Tato studie primárně využívá hliníkovou fólii o tloušťce 16 μm jako substrát pro zkoumání morfologických změn fólie s různou tloušťkou uhlíkového povlaku a jejich následný dopad na výkon buněk.

Jak je znázorněno mezi tabulkou , plošná hustota fólie se postupně zvyšuje s tloušťkou vodivého povlaku. Elektrický odpor fólie se nemění lineárně s tloušťkou. Všechny proudové kolektory s uhlíkovým povlakem vykazují horší vodivost než čistý hliník, s hodnotami odporu 2 až 6krát vyšší. Vzorek Al-2 vykazuje nejnižší vnitřní odpor, zatímco Al-5 má nejvyšší. To je přičítáno zvýšenému obsahu (méně vodivého) pojiva/koloidního materiálu v povlaku, jak se zvyšuje hmotnost povlaku. S rostoucí tloušťkou uhlíkového povlaku se také zvětšuje kontaktní plocha mezi aktivním materiálem Lithium Iron Phosphate (LFP) a vrstvou vodivého povlaku, což vede ke zvýšené pevnosti v odlupování. S větší zapuštěnou plochou se však také zvyšuje kontakt mezi aktivním materiálem a pojivem/koloidním materiálem ve vodivé vrstvě, což následně zvyšuje odpor.

Povrch substrátu potaženého uhlíkem- celkově vypadá uvolněný a porézní. Ve srovnání s holou hliníkovou fólií se povrch stává hrubším a poskytuje více kontaktních bodů pro částice. Zvlnění topografie povrchu se stává výraznější s rostoucí tloušťkou vodivého povlaku. I u fólie Al-1 je však uhlíková vrstva na holé hliníkové fólii rovnoměrně potažena. Tento vodivý povlak se skládá z částic o velikosti přibližně 3,4 μm a menších částic v rozsahu 150–200 nm, přičemž byla pozorována určitá aglomerace částic ze suspenze vodivého povlaku. Mincovní články vyrobené z uhlíkem potažených hliníkových fólií různých tlouštěk vykazují všechny symetrické oxidační a redukční vrcholy, což ukazuje na lepší reverzibilitu redoxní reakce ve srovnání s holou hliníkovou fólií. Potenciální rozdíl mezi vrcholy oxidace a redukce je menší než u holé hliníkové fólie, což naznačuje, že přítomnost uhlíkového povlaku zmírňuje polarizaci elektrody.

Z hlediska fyzikálně-chemických vlastností

• Síla odlupování elektrodového plátu se zvyšuje s tloušťkou uhlíkového povlaku.
• Odpor elektrodového plátu se zvyšuje s tloušťkou povlaku.
• Minimální hodnota odporu byla pozorována při celkové tloušťce 2,0 μm.
• Při tloušťkách 4,0 μm a 5,0 μm se zvyšuje odpor přenosu náboje, slábne difúzní schopnost Li+ a zvyšuje se polarizace.
• Tyto výsledky naznačují, že tloušťku uhlíkového povlaku je třeba řídit ve vhodném rozsahu.

Z pohledu úplného-elektrochemického výkonu článku

• Hliníková fólie potažená uhlíkem -prokázala výhody při cyklování při pokojové teplotě 0,5 °C a 2,0 °C a také při nízké-teplotě vybíjení při -20 °C.
• Optimální cyklovací výkon za těchto podmínek byl pozorován při celkové tloušťce povlaku 2,0 μm.
• Experimenty také odhalily, že při proudové rychlosti 1,0 C vykazovala holá hliníková fólie vynikající cyklický výkon a po 1 500 cyklech si udržela více než 90 % kapacity. Toto zjištění poskytuje směr pro další zkoumání mechanismu hliníkové fólie potažené uhlíkem-.
• Výkon se liší s různými tloušťkami uhlíkového povlaku. Použití příliš velké tloušťky povlaku (např. 4,0 μm a 5,0 μm) nezvyšuje efektivně výkon baterie, ale místo toho plýtvá kalovým materiálem a zvyšuje náklady.
• Zatímco holá hliníková fólie může dosáhnout optimální životnosti cyklu při 1,0 °C, její cyklická křivka vykazuje značné kolísání, což je škodlivé pro pozdější -stupeň odhadu zdravotního stavu baterie (SOH).

Pokud vezmeme v úvahu všechny ukazatele komplexně, celková tloušťka uhlíkového povlaku je1.0 μmpředstavuje optimální cenovou{0}}výkonnostní volbu pro hliníkovou fólii potaženou uhlíkem-.

Reference
Čínská národní znalostní infrastruktura (CNKI)

OBRAŤTE SE NA NÁŠ TECHNICKÝ TÝM

Můžete navštívit náš odkaz na produktwwwpro více podrobností