Застосування мідної фольги з вуглецевим-покриттям для літій-{1}}іонних акумуляторів

Зі швидким розвитком сектору транспортних засобів з новою енергією зростає попит на вищу щільність енергії в літій-іонних вторинних акумуляторах. Покращення питомої енергії акумуляторів не тільки покращує запас ходу електромобілів, але й може значно полегшити нинішню проблему високих витрат. Оскільки щільність енергії літій-іонних акумуляторів продовжує зростати, комбінація високо-нікелевих катодів із кремнієвими-вуглецевими анодами стала стандартною конфігурацією для розробки наступного-покоління літій-іонних акумуляторів із високою-енергетичною-щільністю. Однак кремній зазнає значних змін об’єму під час циклів заряду та розряду, що призводить до розпилення частинок активного матеріалу, втрати точок контакту з провідними агентами та навіть від’єднання від струмоприймача. Це призводить до швидкого зменшення ємності та скорочення терміну служби кремнієвих-вугільних анодів, що перешкоджає їх використанню в літій-іонних батареях.

Розробка кремнієвих-вуглецевих анодних матеріалів уже давно є предметом досліджень літій-іонних акумуляторів, головним чином зосередженим на оптимізації та модифікації самого матеріалу. Це включає в себе оптимізацію розміру частинок і структури кремнієвого матеріалу, а також структури та методів композиції кремнію-вуглецю. Щоб досягти практичного застосування кремнієвих -вугільних анодних матеріалів, оптимізація під час проектування електродів і навіть акумуляторів і процесів виробництва привернула все більше уваги та досліджень. Приклади включають оптимізуючі електропровідні агенти, зв’язуючі речовини, що використовуються в суспензійному процесі, поверхневу щільність покриття, щільність ущільнення, склад електроліту та процеси формування.

Як важливий компонент електрода, мідна фольга підтримує активний матеріал негативного електрода, збираючи згенеровані електрони та проводячи їх до зовнішнього контуру для формування струму. Якщо адгезія між активним матеріалом і мідною фольгою недостатня, частинки кремнію-вуглецю можуть легко від’єднатися від мідної фольги під час циклу через значні зміни їхнього об’єму, що призводить до низької продуктивності циклу. Щоб збільшити термін служби батарей, у цьому дослідженні використовується мідна фольга, покрита провідним вуглецевим шаром для живлення батарей. За допомогою процесу стекування було виготовлено пакетні елементи живлення ємністю 9,5 А·год із потрійним матеріалом як катодом і оксидом кремнію-вуглецевим композитом як анодом. Було досліджено вплив мідної фольги з вуглецевим- покриттям порівняно зі звичайною двосторонньою гладкою мідною фольгою на продуктивність, ефективність високої/низької-температури та циклічні характеристики клітин.

У наших експериментах ми використовували мідну фольгу з вуглецевим- покриттям на основі голої фольги, покритої з обох боків електропровідним вуглецем і смолою. Це служить для підвищення провідності струмоприймача, забезпечуючи хороший контактний опір, одночасно збільшуючи адгезію між активним матеріалом і струмоприймачем, тим самим покращуючи термін служби батареї. SEM-зображення дво-гладкої мідної фольги, мідної фольги з вуглецевим- покриттям і листів електродів показують, що дво-гладка поверхня мідної фольги плоска. Електропровідні частинки вуглецю на поверхні мідної фольги з вуглецевим -покриттям рівномірно розподілені з діаметром приблизно 15-20 нм, демонструючи сферичну-структуру, з’єднану смоляним клеєм. Поверхня пухка і пориста, що ефективно підвищує адгезію активного матеріалу до струмоприймача. Крім того, збільшена площа контакту між активним матеріалом і струмоприймачем, що сприяє зниженню контактного опору листа електрода. Спостереження за структурою поверхні та поперечного-зрізу анодного листа SiO-C показують рівномірний розподіл частинок, при цьому частинки залишаються неушкодженими без руйнування за щільності ущільнення 1,6 г/куб.см.

Основні параметри листів негативного електрода, виготовлених із використанням різних мідних фольг, вказують на те, що міцність на відрив листа з використанням мідної фольги з вуглецевим -покриттям значно збільшена порівняно з двосторонньою гладкою мідною фольгою, тоді як питомий опір листа електрода зменшується. Це демонструє, що шар вуглецевого покриття може збільшити площу контакту між активним матеріалом і струмоприймачем, покращити електронну провідність листа електрода та зменшити контактний опір між активним матеріалом і струмоприймачем. Крім того, вуглецевий шар, що містить зв’язувальну смолу, діє як перехідний шар, зміцнюючи зв’язок між активним матеріалом і струмоприймачем.

Часткові дані про електрохімічні характеристики пакетних елементів ємністю 9,5 А·год, виготовлених із використанням різної мідної фольги, включаючи напругу відкритого ланцюга, внутрішній опір змінного струму, оборотну ємність, ефективність початкового заряду-розряду та використання питомої ємності катода, були отримані шляхом усереднення вимірювань у 10 точках зразка. Порівняння показує, що внутрішній опір змінного струму елемента з мідною фольгою з вуглецевим- покриттям нижчий, ніж у елемента з двосторонньою гладкою мідною фольгою. Це насамперед через те, що лист електрода, виготовлений із мідної фольги з вуглецевим- покриттям, має нижчий питомий опір, що зменшує загальний контактний опір елемента. Питоме використання ємності елемента з мідною фольгою з вуглецевим -покриттям дещо нижче (на 0,5 мА·год/г), ніж у елемента з двосторонньою гладкою мідною фольгою. Це може бути пов’язано з введенням вуглецевого покриття, що призводить до незначної інтеркаляції-іонів літію, споживання деяких іонів літію та збільшення необоротної ємності елемента.

Криві розряду пакетних елементів, зібраних з двох типів мідної фольги, з різними швидкостями при кімнатній температурі показують, що зі збільшенням швидкості розряду плато розряду обох типів елементів зменшується, а розрядна ємність поступово зменшується. Значна точка перегину падіння з'являється, коли швидкість розряду досягає 4C. Це головним чином тому, що зі збільшенням розрядного струму іони літію після вивільнення електронів не можуть швидко покинути анод і дифундувати в електроліт, створюючи значний градієнт концентрації-іонів літію. Це збільшує потенціал електрода, необхідний для повернення іонів літію до катода, що призводить до збільшення внутрішнього тиску в комірці та, як наслідок, зниження плато розряду. Порівнюючи вищезазначені криві швидкості розряду та швидкості збереження розрядної ємності при різних швидкостях, плато розряду двох типів клітин по суті ідентичні при однаковій швидкості. За низькими ставками (<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.

Криві циклів пакетних комірок, зібраних із двох типів мідної фольги в умовах розряду-заряду 1C/1C за кімнатної температури, показують, що після 300 циклів коефіцієнт збереження ємності становить 89,5% для комірки з мідної фольги з вуглецевим-покриттям порівняно з 84,2% для комірки з гладкої двосторонньої-мідної фольги. Стабільність циклу комірки з мідної фольги з вуглецевим-покриттям значно покращена порівняно з коміркою з двосторонньої-гладкої мідної фольги. Ця перевага пов’язана з двома основними аспектами: по-перше, провідний вуглецевий шар, нанесений на поверхню мідної фольги, збільшує площу контакту між активним матеріалом і мідною фольгою, а пориста поверхнева структура забезпечує більше місць контакту для активного матеріалу, покращуючи взаємодію зі струмоприймачем; по-друге, наявність смоляного сполучного в карбоновому покритті ще більше посилює адгезію між активним матеріалом і мідною фольгою. Це значно пригнічує явище активного порошкоподібного матеріалу в анодах на основі кремнію, спричинене великою швидкістю розширення частинок після кількох циклів, тим самим ефективно подовжуючи термін служби батареї.

(1) Підвищує міцність на відрив анодного електрода SiO-C, одночасно зменшуючи його питомий опір.
(2) Покращує роботу при високих/низьких-температурах і швидкість, але незначно.
(3) Ефективно покращує продуктивність циклу кремнієвих-батарей. Порівняно з двосторонньою гладкою мідною фольгою рівень збереження ємності після 300 циклів за швидкості заряду/розряду 1C покращився на 5,2%.

Список літератури

Китайська національна інфраструктура знань (CNKI)
Дослідження та застосування мідної фольги з вуглецевим покриттям у кремнієвій-літій-іонній батареї
Товариство з обмеженою відповідальністю «Науково-дослідний інститут технологій вугільної хімічної промисловості Шеньсі»
Шень Сяохуей

ЗВЕРНІТЬСЯ ДО НАШОЇ ТЕХНІЧНОЇ КОМАНДИ

Ви можете відвідати наш продукт Linkhttp://www/вуглецева-покрита-фольга/вуглецева{2}}покрита-мідна-фольга/провідна-вуглецева-покрита-мідна-фольга.htmlдля більш детальної інформації