Zastosowanie-folii miedzianej powlekanej węglem stosowanej w akumulatorach litowych-jonowych

Wraz z szybkim rozwojem nowego sektora pojazdów energetycznych rośnie zapotrzebowanie na większą gęstość energii w litowo-wtórnych akumulatorach jonowych. Poprawa energii właściwej akumulatorów nie tylko korzystnie wpływa na zasięg pojazdów elektrycznych, ale może również znacząco złagodzić obecne wyzwanie, jakim są wysokie koszty. Ponieważ gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych stale rośnie, połączenie-katod o wysokiej zawartości niklu z krzemowymi-anodami węglowymi stało się standardową konfiguracją przy opracowywaniu akumulatorów litowo-jonowych nowej-generacji-energii-o dużej gęstości. Jednakże krzem ulega znaczącym zmianom objętości podczas cykli ładowania i rozładowywania, co prowadzi do sproszkowania cząstek materiału aktywnego, utraty punktów styku z czynnikami przewodzącymi, a nawet odłączenia się od kolektora prądu. Powoduje to szybki spadek pojemności i skrócenie cyklu życia krzemowych-anod węglowych, co utrudnia ich zastosowanie w akumulatorach litowo-jonowych.

Rozwój materiałów na anody krzemowe-węglowe od dawna jest głównym przedmiotem badań nad akumulatorami litowo-jonowymi, skupiającymi się głównie na optymalizacji i modyfikacji samego materiału. Obejmuje to optymalizację rozmiaru cząstek i struktury materiału krzemowego, a także struktury i metod komponowania krzemu-węgla. Aby zapewnić praktyczne zastosowanie materiałów na anodę krzemową-węglową, coraz większą uwagę i badania przyciąga optymalizacja procesów projektowania i produkcji elektrod, a nawet baterii. Przykłady obejmują optymalizację środków przewodzących, spoiw stosowanych w procesie zawiesiny, gęstości powierzchniowej powłoki, gęstości zagęszczenia, składu elektrolitu i procesów tworzenia.

Jako kluczowy element elektrody, folia miedziana podtrzymuje materiał aktywny elektrody ujemnej, zbierając wygenerowane elektrony i przewodząc je do obwodu zewnętrznego w celu wytworzenia prądu. Jeśli przyczepność między materiałem aktywnym a folią miedzianą jest niewystarczająca, cząstki krzemu-węgla mogą łatwo odłączyć się od folii miedzianej podczas cyklu ze względu na duże zmiany objętości, co prowadzi do słabej wydajności cyklu. Aby poprawić żywotność akumulatorów, w badaniu tym do zasilania akumulatorów zastosowano folię miedzianą pokrytą przewodzącą warstwą węgla. Stosując proces układania, wyprodukowano ogniwa kieszeniowe 9,5 Ah z trójskładnikowego materiału jako katody i kompozytu z tlenku krzemu-węglowego jako anody. Zbadano wpływ folii miedzianej-powlekanej węglem w porównaniu ze zwykłą dwustronną- gładką folią miedzianą na wydajność ogniw, wydajność w wysokich i niskich-temperaturach oraz wydajność cykliczną.

W naszych eksperymentach wykorzystaliśmy-pokrytą węglem folię miedzianą pokrytą gołą folią, pokrytą z obu stron przewodzącym spoiwem węglowym i żywicznym. Służy to zwiększeniu przewodności kolektora prądu, zapewniając dobrą rezystancję styku, jednocześnie zwiększając przyczepność pomiędzy materiałem aktywnym a kolektorem prądu, poprawiając w ten sposób żywotność akumulatora. Obrazy SEM dwustronnej-gładkiej folii miedzianej,-powlekanej węglem folii miedzianej i arkuszy elektrod pokazują, że powierzchnia-dwustronnej gładkiej folii miedzianej jest płaska. Przewodzące cząstki węgla na powierzchni-folii miedzianej pokrytej węglem są równomiernie rozmieszczone, a średnica cząstek wynosi około 15-20 nm i mają sferyczną-strukturę połączoną ze sobą za pomocą kleju żywicznego. Powierzchnia jest luźna i porowata, co skutecznie zwiększa przyczepność materiału aktywnego do odbieraka prądu. Dodatkowo zwiększa się powierzchnia styku materiału aktywnego z kolektorem prądu, co pomaga zmniejszyć rezystancję styku arkusza elektrody. Obserwacje powierzchni i struktury-przekroju poprzecznego arkusza anody SiO-C wykazują równomierny rozkład cząstek, przy czym cząstki pozostają nienaruszone i nie pękają przy gęstości zagęszczenia wynoszącej 1,6 g/cm3.

Podstawowe parametry arkuszy elektrod ujemnych wykonanych z różnych folii miedzianych wskazują, że wytrzymałość blachy na odrywanie z folii miedzianej-powlekanej węglem jest znacznie zwiększona w porównaniu z wytrzymałością na odrywanie arkusza z dwustronnie-gładką folią miedzianą, przy jednoczesnym zmniejszeniu rezystywności arkusza elektrody. Pokazuje to, że warstwa powłoki węglowej może zwiększyć powierzchnię styku pomiędzy materiałem aktywnym a kolektorem prądu, poprawić przewodność elektronową arkusza elektrody i zmniejszyć rezystancję styku pomiędzy materiałem aktywnym a kolektorem prądu. Ponadto warstwa węgla zawierająca spoiwo żywiczne pełni rolę warstwy przejściowej, wzmacniającej wiązanie pomiędzy materiałem aktywnym a kolektorem prądu.

Częściowe dane dotyczące wydajności elektrochemicznej ogniw woreczkowych 9,5 Ah wykonanych z różnych folii miedzianych, w tym napięcie w obwodzie otwartym, rezystancja wewnętrzna prądu przemiennego, pojemność odwracalna, wydajność-rozładowania początkowego ładowania i wykorzystanie pojemności właściwej katody, uzyskano poprzez uśrednienie pomiarów z 10 punktów próbkowania. Porównanie pokazuje, że wewnętrzna rezystancja prądu przemiennego ogniwa wykorzystującego-folię miedzianą pokrytą węglem jest niższa niż rezystancja wewnętrzna ogniwa wykorzystującego dwustronną- gładką folię miedzianą. Dzieje się tak głównie dlatego, że arkusz elektrody wykonany z folii miedzianej-powlekanej węglem ma niższą rezystywność, co zmniejsza ogólną rezystancję styku ogniwa. Wykorzystanie pojemności właściwej ogniwa wykorzystującego-folię miedzianą pokrytą węglem jest nieco niższe (o 0,5 mAh/g) niż ogniwa wykorzystującego-dwustronnie gładką folię miedzianą. Może to wynikać z wprowadzenia powłoki węglowej prowadzącej do niewielkiej interkalacji-jonów litu, zużycia części jonów litu i zwiększenia nieodwracalnej pojemności ogniwa.

Krzywe rozładowania ogniw woreczkowych połączonych z dwoma rodzajami folii miedzianej przy różnych szybkościach w temperaturze pokojowej pokazują, że wraz ze wzrostem szybkości rozładowania plateau rozładowania obu typów ogniw maleje, a wydajność rozładowania stopniowo maleje. Znaczący punkt przegięcia spadku pojawia się, gdy szybkość rozładowania osiąga 4°C. Dzieje się tak głównie dlatego, że wraz ze wzrostem prądu rozładowania jony litu po uwolnieniu elektronów nie mogą szybko opuścić anody i przedostać się do elektrolitu, tworząc znaczny gradient stężenia-jonów litu. Zwiększa to potencjał elektrody wymagany do powrotu jonów litu do katody, co prowadzi do wzrostu ciśnienia wewnętrznego w ogniwie i w konsekwencji do obniżenia plateau wyładowania. Porównując wyżej wymienione krzywe szybkości rozładowania i szybkości zatrzymywania pojemności rozładowania przy różnych szybkościach, plateau rozładowania dwóch typów ogniw są zasadniczo identyczne przy tej samej szybkości. Przy niskich stawkach (<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.

Krzywe cykli ogniw woreczkowych złożonych z dwóch rodzajów folii miedzianej w warunkach ładowania-1C/1C w temperaturze pokojowej pokazują, że po 300 cyklach wskaźnik utrzymania pojemności wynosi 89,5% w przypadku ogniwa z folii miedzianej-powlekanej węglem w porównaniu z 84,2% w przypadku-dwustronnie gładkiego ogniwa z folii miedzianej. Stabilność cyklu ogniwa z folii miedzianej-powlekanej węglem jest znacznie poprawiona w porównaniu z ogniwem-dwustronnie gładkiej folii miedzianej. Korzyści te wynikają z dwóch głównych aspektów: po pierwsze, przewodząca warstwa węgla pokryta powierzchnią folii miedzianej zwiększa powierzchnię styku pomiędzy materiałem aktywnym a folią miedzianą, a porowata struktura powierzchni zapewnia więcej miejsc kontaktu materiału aktywnego, poprawiając interakcję z odbierakiem prądu; po drugie, obecność spoiwa żywicznego w powłoce węglowej dodatkowo wzmacnia przyczepność pomiędzy materiałem aktywnym a folią miedzianą. To znacznie tłumi zjawisko proszkowania materiału aktywnego w anodach-na bazie krzemu, spowodowane dużą szybkością rozszerzania się cząstek po wielokrotnych cyklach, skutecznie wydłużając w ten sposób żywotność cykli baterii.

(1) Zwiększa wytrzymałość na odrywanie arkusza elektrody anodowej SiO-C, jednocześnie zmniejszając jego rezystywność.
(2) Poprawia wydajność i szybkość działania w wysokich i niskich-temperaturach, ale nie znacząco.
(3) Skutecznie zwiększa wydajność cykliczną akumulatorów-krzemowych. W porównaniu z dwustronną- gładką folią miedzianą, współczynnik utrzymania pojemności po 300 cyklach przy szybkości ładowania/rozładowania 1C jest lepszy o 5,2%.

Referencje

Chińska krajowa infrastruktura wiedzy (CNKI)
Badania i zastosowanie folii miedzianej pokrytej węglem w krzemowej-baterii litowo-jonowej
Instytut Badawczy Technologii Przemysłu Chemicznego Shaanxi Co., Ltd.
Shen Xiaohui

SKONTAKTUJ SIĘ Z NASZYM ZESPOŁEM TECHNICZNYM

Możesz odwiedzić nasz link do produktuhttp://www/carbon-powlekany-folia/węgiel-powlekany-miedź-folia/przewodzący-węgiel-powlekany-miedź-folia.htmlaby uzyskać więcej szczegółów