Создание литий-композитного анода с нулевым расширением объема для достижения высокой плотности энергии и стабильной гибкой литий-металлической батареи

Создание литий-композитного анода с нулевым расширением объема для достижения высокой плотности энергии и стабильной гибкой литий-металлической батареи

Информация об авторе и аннотация статьи

В 2022 году исследовательская группа СУСТех под руководством Дэн Юнхуна в сотрудничестве с командой профессора Чжэн Цзыцзянь из Гонконгского политехнического университета (первый автор: Луо Чао, докторант Южного университета науки и технологий) разработала метод рулонного анализа подготовьте литиевый композитный анод с нулевым объемным расширением, который может значительно улучшить плотность энергии металлического лития и изгибаемые механические свойства батарей. Отрицательный электрод имеет сэндвич-структуру, включающую электронный изолирующий слой сверху, литиофильный слой снизу и пористый слой посередине, который поглощает объемное расширение. Авторы также подтвердили превосходную гибкость и энергию литий-металлической батареи, сопоставив положительные электроды НКМ и LCO. такие свойства, как плотность и сохранение цикла.

Рис. 1. Принципиальная схема литиевой интеркаляции анода нулевого объема расширения.

План испытаний

1. Изготовьте литиевый композитный анод и литиевую металлическую батарею.

2. Структурная характеристика: характеристика морфологии ИП-СЭМ, химическая структура поверхности XPS, поведение набухания SWE2100 (ИЭСТ).

3. Характеристика электрохимических характеристик: циклическая производительность удержания и мягкой упаковки.

4. Характеристика механических характеристик: характеристики изгиба электродов и ячеек.

Анализ результатов

Фигура 2. Принцип конструкции и поведение литиевого металлического анода при объемном расширении с нулевым объемным расширением.

Авторы подготовили полый композитный литий-металлический анод, используя электроизолирующую пористую пленку (ЭИ-пленка) в сочетании с матрицей из углеродного волокна с медным покрытием (CuCM) и ультратонким листом из сплава ЛиМг посредством процесса прокатки. Морфологию композитного материала наблюдали с помощью СЭМ и картирования элементов, что подтвердило успешное изготовление литиевого композитного анода сэндвич-структуры. Чтобы доказать свойство нулевого объемного расширения композита, авторы собрали однослойную батарею Ли-к-NCM811, используя методы испытаний толщины расширения на месте и силы расширения. Можно четко сравнить, что нулевой ВЕ-Ли анод практически не имеет толщины во время цикла заряда-разряда. Или расширение под напряжением, демонстрирующее превосходную устойчивость композита к расширению.

Рисунок 3. Анализ СЭИ и стабильности цикла металлического литиевого анода с нулевым объемным расширением.

Изменение границы раздела с металлическим литием, вызванное верхним изолирующим функциональным слоем в новом металлическом литий-аноде, было охарактеризовано с помощью РФЭС, который доказал, что СЭИ содержит неорганические слои Li3N и ЛиФ с лучшим ингибирующим действием на дендриты лития. А собрав два типа батарей, положительные электроды которых являются NCM811 и LCO соответственно, можно четко сравнить, что элемент имеет самый высокий коэффициент сохранения циклической емкости, когда в качестве отрицательного электрода используется нулевой ВЕ-Ли.

Рисунок 4. Электрохимическая и механическая стабильность однослойных полных литий-металлических элементов.

Посредством испытаний на динамический изгиб и сопротивление автор обнаружил, что после 4000 экспериментов по изгибу сопротивление и морфология нулевого ВЕ Ли существенно не изменились, продемонстрировав превосходную гибкость. Литий-электрод нулевого ВЕ сочетался с гибким положительным электродом с высокой поверхностной нагрузкой для сборки гибкой батареи. С точки зрения стабильности электрохимического цикла и механической стабильности отрицательный электрод с нулевым объемным расширением показал высокую кулоновскую эффективность, высокую скорость сохранения циклической емкости и хорошую гибкость.

Рисунок 5. Электрохимическая и механическая стабильность многослойных полных литий-металлических элементов.

Автор продолжает готовить двусторонний анод с нулевым расширением объема и обнаруживает, что он имеет более высокую удельную массовую емкость, чем коммерческие анодные материалы. Собранная многослойная гибкая литий-металлическая батарея имеет высокую плотность энергии по весу и объемную плотность энергии и может сохранять 75% емкости после 3000 циклов испытаний на изгиб. Сравнивая значения плотности энергии гибких литиевых батарей в других соответствующих документах, гибкая литий-металлическая полная батарея, разработанная в этой работе на основе литиевого композитного анода с нулевым объемным расширением, имеет очень высокую поверхностную плотность энергии (22,7 мВт·ч · см-2), практическая объемная плотность энергии (375 Вт·ч л-1, исходя из объема положительных и отрицательных электродов, диафрагм и упаковочных материалов) и рекордная гибкая добротность (ФОМ, 45,6).

Подведем итог

В этой статье был разработан метод рулонного производства для синтеза литиевого композитного анода с нулевым объемом набухания, который обладает превосходными электрохимическими характеристиками и механической гибкостью и может значительно улучшить плотность энергии литий-металлических батарей. Отрицательный электрод имеет сэндвич-структуру: он включает в себя электронно-изолирующий слой сверху, литиофильный слой снизу и пористый слой посередине, поглощающий объемное расширение. Сопоставляя положительные электроды НКМ и LCO, автор дополнительно подтвердил превосходную гибкость соответствующей гибкой литий-металлической батареи, такие свойства, как плотность энергии и сохранение цикла. Конструкция расширения с нулевым объемом обеспечивает новую идею практического применения литий-металлических батарей. Процесс рулонного производства также показывает свой потенциал для крупномасштабного производства. В принципе, эта конструкция расширения с нулевым объемом также применима для изготовления анодов других металлических батарей (таких как натриевые, калиевые, цинковые металлические батареи и т. д.) для улучшения плотности энергии, цикличности и структурной стабильности.

Оригиналы документов

Чао Луо, Хун Ху, Тянь Чжан, Шуцзин Вэнь, Руо Ван, Янан Ань, Шан-Сен Чи, Цзюнь Ван, Чаоян Ван, Цзянь Чанг*, Цзыцзянь Чжэн* и Юнхун Дэн*. Рулонное производство ЗеЛитиевые композитные аноды с расширением по объему для создания гибких и стабильных литий-металлических батарей с высокой плотностью энергии. Передовые материалы,дои.организация/10.1002/Адма.202205677.

Рекомендации по испытательному оборудованию, связанному с ИЭСТ

Система набухания на месте серии Швеция (ИЭСТ): используя высокостабильную и надежную платформу автоматизации, оснащенную высокоточными датчиками измерения толщины, она может измерять изменение толщины и скорость изменения всего процесса заряда-разряда электрического сердечника, а также может выполнять следующие функции:

1. Проверьте кривую толщины аккумулятора при постоянном давлении.

2. Проверьте кривую силы расширения батареи при условии постоянного зазора.

3. Испытание производительности сжатия батареи: модуль сжатия кривой напряжения-деформации.d

4.Пошаговая проверка силы расширения батареи.

5. Различный контроль температуры: - 20 ~ 80 ℃.