Szén{0}}bevonatú rézfólia alkalmazása lítium-ionos akkumulátorokban

Az új energetikai járművek ágazatának gyors fejlődésével a lítium{0}}ionos másodlagos akkumulátorok nagyobb energiasűrűsége iránti igény növekszik. Az akkumulátorok fajlagos energiájának javítása nem csak az elektromos járművek hatótávolságát javítja, hanem jelentősen enyhítheti a magas költségek jelenlegi kihívását is. Ahogy a lítium-ion akkumulátorok energiasűrűsége folyamatosan növekszik, a nagy-nikkel katódok és a szilícium-szén anódok kombinációja a következő-generációs nagy-energiájú-sűrűségű lítium-akkumulátorok fejlesztésének standard konfigurációjává vált. A szilícium azonban jelentős térfogatváltozásokon megy keresztül a töltési és kisütési ciklusok során, ami az aktív anyagrészecskék porlódásához, a vezető anyagokkal való érintkezési pontok elvesztéséhez, sőt az áramkollektorról való leváláshoz vezet. Ez gyors kapacitáscsökkenést és a szilícium{12}}szén anódok élettartamának lerövidülését eredményezi, ami akadályozza alkalmazásukat lítium{13}}ion akkumulátorokban.

A szilícium-szén anód anyagok fejlesztése régóta a lítium-ion akkumulátorok kutatásának középpontjában áll, elsősorban magának az anyagnak az optimalizálására és módosítására. Ez magában foglalja a szilícium anyag részecskeméretének és szerkezetének, valamint a szilícium-szén-összetétel szerkezetének és módszereinek optimalizálását. A szilícium{5}}szén anód anyagok gyakorlati alkalmazása érdekében az elektródák, sőt az akkumulátorok tervezési és gyártási folyamatai során végzett optimalizálás egyre nagyobb figyelmet és kutatást kapott. Ilyenek például a vezetőképes szerek optimalizálása, a szuszpenziós eljárásban használt kötőanyagok, a bevonat területi sűrűsége, a tömörítési sűrűség, az elektrolit összetétele és a képződési folyamatok.

Az elektróda kulcsfontosságú elemeként a rézfólia támogatja a negatív elektród aktív anyagát, miközben összegyűjti a keletkezett elektronokat, és a külső áramkörbe vezeti, hogy áramot képezzenek. Ha az aktív anyag és a rézfólia között nem megfelelő a tapadás, a szilícium-szénrészecskék könnyen leválhatnak a rézfóliáról a kerékpározás során a nagy térfogatváltozások miatt, ami rossz ciklusteljesítményhez vezet. Az akkumulátorok élettartamának javítása érdekében ez a tanulmány vezető szénréteggel bevont rézfóliát alkalmaz az akkumulátorok táplálására. Egymásra rakásos eljárással 9,5 Ah-s tasak tápcellákat gyártottak háromkomponensű anyagból katódként és szilícium-oxid{5}}szén-kompozitból anódként. Megvizsgálták a szénnel bevont rézfólia hatását a normál kétoldalas-sima rézfóliához képest a cellák sebességi képességére, magas/alacsony hőmérsékleti teljesítményére, valamint ciklusteljesítményére.

Kísérleteink során csupasz fólia alapú szénnel{0}}bevonatos rézfóliát használtunk, amelyet mindkét oldalon vezetőképes szénnel és gyanta kötőanyaggal vontunk be. Ez az áramkollektor vezetőképességének növelését szolgálja, biztosítva a jó érintkezési ellenállást, ugyanakkor növeli az aktív anyag és az áramgyűjtő közötti tapadást, ezáltal javítva az akkumulátor élettartamát. A kétoldalas-sima rézfólia, szén-bevonatú rézfólia és elektródalapok SEM-képei azt mutatják, hogy a két-oldalas sima rézfólia felülete sík. A szénnel bevont rézfólia felületén a vezetőképes szénrészecskék egyenletesen oszlanak el, részecskeátmérőjük körülbelül 15-20 nm, és gyantaragasztóval összekötött, gömb alakú,{13}}szerű szerkezetet mutatnak. A felület laza és porózus, hatékonyan javítja az aktív anyag tapadását az áramgyűjtőhöz. Ezenkívül megnő az aktív anyag és az áramkollektor közötti érintkezési felület, ami segít csökkenteni az elektródalap érintkezési ellenállását. A SiO-C anódlemez felületének és keresztmetszeti szerkezetének megfigyelései egyenletes részecskeeloszlást mutatnak, 1,6 g/cc tömörítési sűrűség mellett a részecskék sértetlenek maradnak repedés nélkül.

A különböző rézfóliákkal készült negatív elektródalapok alapparaméterei azt mutatják, hogy a szénnel bevont rézfóliával készült lemez leválási szilárdsága jelentősen megnő a kétoldalas-sima rézfóliához képest, miközben az elektródalap fajlagos ellenállása csökken. Ez azt mutatja, hogy a szénbevonat növelheti az aktív anyag és az áramkollektor közötti érintkezési felületet, javíthatja az elektródalap elektronikus vezetőképességét, és csökkentheti az aktív anyag és az áramkollektor közötti érintkezési ellenállást. Továbbá a gyanta kötőanyagot tartalmazó szénréteg átmeneti rétegként működik, erősítve a kötést az aktív anyag és az áramgyűjtő között.

A különböző rézfóliákkal készült 9,5 Ah-s tasakcellák részleges elektrokémiai teljesítményadatait, beleértve a nyitott-áramköri feszültséget, a váltakozó áramú belső ellenállást, a reverzibilis kapacitást, a kezdeti töltés-kisülési hatékonyságot és a katód fajlagos kapacitáskihasználását, 10 mintapont méréseinek átlagolásával kaptuk. Az összehasonlítás azt mutatja, hogy a szénnel bevont rézfóliát használó cella váltakozó áramú belső ellenállása alacsonyabb, mint a kétoldalas-sima rézfóliát használó celláé. Ennek elsősorban az az oka, hogy a szénnel bevont rézfóliából készült elektródalap kisebb ellenállással rendelkezik, ezáltal csökken a cella teljes érintkezési ellenállása. A szénnel bevont rézfóliát használó cella fajlagos kapacitáskihasználása valamivel alacsonyabb (0,5 mAh/g-mal), mint a kétoldalas{12}}sima rézfóliát használó celláé. Ennek oka lehet a szénbevonat bevezetése, amely kismértékű lítium-ionok interkalációjához vezet, ami bizonyos lítium-ionokat fogyaszt, és növeli a sejt irreverzibilis kapacitását.

A kétféle rézfóliával különböző sebességgel szobahőmérsékleten összeállított tasakcellák kisülési görbéi azt mutatják, hogy a kisülési sebesség növekedésével mindkét cellatípus kisülési platója csökken, a kisülési kapacitás pedig fokozatosan csökken. Jelentős esés inflexiós pont jelenik meg, amikor a kisülési sebesség eléri a 4C-ot. Ennek főként az az oka, hogy a kisülési áram növekedésével a lítium-ionok az elektronok felszabadítása után nem tudnak azonnal elhagyni az anódot és bediffundálni az elektrolitba, jelentős lítium--ion koncentráció-gradienst hozva létre. Ez megnöveli a lítium-ionok katódba való visszatéréséhez szükséges elektródpotenciált, ami megnövekedett belső nyomáshoz vezet a cellában, és ennek következtében a kisülési plató csökkenéséhez vezet. Összehasonlítva a fent említett sebességi kisülési görbéket és a kisülési kapacitás megtartási arányait különböző sebességeknél, a két cellatípus kisülési platói azonos sebesség mellett lényegében azonosak. Alacsony áron (<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.

A kétféle rézfóliával összeállított tasakcellák ciklusgörbéi 1C/1C kisülési körülmények között, szobahőmérsékleten azt mutatják, hogy 300 ciklus után a kapacitás megtartási arány 89,5% a szénnel bevont rézfólia cella esetében, szemben a 84,2%-kal a kettős-oldalas rézfóliás cella esetében. A szénnel bevont rézfólia cella ciklusstabilitása jelentősen javult a kétoldalas{10}}sima rézfólia cellához képest. Ez az előny két fő szempontból fakad: először is, a rézfólia felületére bevont vezetőképes szénréteg növeli az aktív anyag és a rézfólia érintkezési felületét, a porózus felületi szerkezet pedig több érintkezési helyet biztosít az aktív anyag számára, fokozva az áramkollektorral való kölcsönhatást; másodszor, a gyanta kötőanyag jelenléte a szénbevonatban tovább erősíti az aktív anyag és a rézfólia közötti tapadást. Ez jelentősen elnyomja a szilícium{13}}alapú anódokon az aktív anyag porlódását, amelyet a részecskék több ciklus utáni nagy tágulási sebessége okoz, ezáltal hatékonyan meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát.

(1) Növeli a SiO-C anódelektróda lap lefejtési szilárdságát, miközben csökkenti az ellenállását.
(2) Javítja a magas/alacsony hőmérsékletű{1}}teljesítményt és a sebességet, de nem jelentősen.
(3) Hatékonyan növeli a szilícium-alapú akkumulátorok ciklusteljesítményét. A kétoldalas-sima rézfóliához képest a kapacitásmegtartási arány 300 ciklus után 1C-os töltési/kisütési sebesség mellett 5,2%-kal javult.

Hivatkozások

Kínai Nemzeti Tudás Infrastruktúra (CNKI)
Szénbevonatú rézfólia kutatása és alkalmazása szilícium-alapú lítium-ionos akkumulátorban
Shaanxi Szén Vegyipari Technológiai Kutatóintézet Co., Ltd.
Shen Xiaohui

ELÉRJEN MŰSZAKI CSAPATUNKAT

Megtekintheti terméklinkünkethttp://www/karbon-bevonatos-fólia/karbon-bevonatú-réz-fólia/vezetőképes-karbon-bevonatú-réz-fólia.htmltovábbi részletekért