Påføring av karbon-belagt kobberfolie brukt i litium-ionbatterier

Med den raske utviklingen av den nye energibilsektoren øker etterspørselen etter høyere energitetthet i litium-ion-sekundære batterier. Forbedring av den spesifikke energien til batterier gagner ikke bare rekkevidden til elektriske kjøretøyer, men kan også redusere dagens utfordring med høye kostnader betydelig. Ettersom energitettheten til litium-ionbatterier fortsetter å stige, har kombinasjonen av-nikkelkatoder med silisium-karbonanoder blitt standardkonfigurasjonen for utvikling av neste-generasjons høy-energi-litium-ionbatterier. Imidlertid gjennomgår silisium betydelige volumendringer under lade- og utladningssykluser, noe som fører til pulverisering av aktive materialpartikler, tap av kontaktpunkter med ledende midler og til og med løsgjøring fra strømsamleren. Dette resulterer i rask kapasitetsreduksjon og forkortet sykluslevetid for silisium-karbonanoder, og hindrer bruken av dem i litium-ion-batterier.

Utviklingen av silisium-karbonanodematerialer har lenge vært et fokus i forskningen på litium-ionbatterier, primært sentrert om å optimalisere og modifisere selve materialet. Dette inkluderer optimalisering av partikkelstørrelsen og strukturen til silisiummaterialet, samt strukturen og metodene for silisium-karbonsammensetning. For å oppnå den praktiske anvendelsen av silisium-karbonanodematerialer har optimalisering under elektrode- og til og med batteridesign og produksjonsprosesser fått økende oppmerksomhet og forskning. Eksempler inkluderer optimalisering av ledende midler, bindemidler brukt i slurryprosessen, beleggarealtetthet, komprimeringstetthet, elektrolyttsammensetning og formasjonsprosesser.

Som en avgjørende komponent av elektroden, støtter kobberfolien det negative elektrodeaktive materialet mens den samler genererte elektroner og leder dem til den eksterne kretsen for å danne strøm. Hvis adhesjonen mellom det aktive materialet og kobberfolien er utilstrekkelig, kan silisium-karbonpartikler lett løsne fra kobberfolien under sykling på grunn av deres store volumendringer, noe som fører til dårlig syklusytelse. For å forbedre levetiden til batterier, bruker denne studien kobberfolie belagt med et ledende karbonlag for å drive batterier. Ved å bruke en stablingsprosess ble 9,5 Ah posekraftceller produsert med ternært materiale som katode og silisiumoksid-karbonkompositt som anode. Effekten av karbon-belagt kobberfolie sammenlignet med vanlig dobbeltsidig glatt kobberfolie på hastighetsevnen, høy/lav-temperaturytelsen og syklusytelsen til cellene ble undersøkt.

I våre eksperimenter brukte vi karbon-belagt kobberfolie basert på bar folie, belagt på begge sider med ledende karbon og harpiksbindemiddel. Dette tjener til å forbedre ledningsevnen til strømkollektoren, sikre god kontaktmotstand, samtidig som adhesjonen mellom det aktive materialet og strømkollektoren øker, og dermed forbedre batterisyklusens levetid. SEM-bilder av den dobbeltsidige-glatte kobberfolien, karbon-belagte kobberfolien og elektrodeark viser at den dobbeltsidige-glatte kobberfolieoverflaten er flat. De ledende karbonpartiklene på overflaten av den karbon-belagte kobberfolien er jevnt fordelt, med en partikkeldiameter på omtrent 15-20 nm, og viser en sfærisk-lignende struktur bundet sammen med harpikslim. Overflaten er løs og porøs, noe som effektivt forbedrer adhesjonen av det aktive materialet til strømkollektoren. I tillegg økes kontaktområdet mellom det aktive materialet og strømkollektoren, noe som bidrar til å redusere kontaktmotstanden til elektrodeplaten. Observasjoner av overflaten og tverrsnittsstrukturen til SiO-C-anodeplaten viser jevn partikkelfordeling, med partikler som forblir intakte uten å sprekke under en komprimeringstetthet på 1,6 g/cc.

Grunnleggende parametere for de negative elektrodearkene laget ved bruk av forskjellige kobberfolier indikerer at avrivningsstyrken til arket ved bruk av karbon-belagt kobberfolie er betydelig økt sammenlignet med den som bruker dobbeltsidig glatt kobberfolie, mens resistiviteten til elektrodearket reduseres. Dette viser at karbonbelegglaget kan øke kontaktområdet mellom det aktive materialet og strømkollektoren, forbedre den elektroniske ledningsevnen til elektrodeplaten og redusere kontaktmotstanden mellom det aktive materialet og strømkollektoren. Videre fungerer karbonlaget som inneholder harpiksbindemidlet som et overgangslag, og styrker bindingen mellom det aktive materialet og strømkollektoren.

Delvis elektrokjemisk ytelsesdata for 9,5 Ah posecellene laget med forskjellige kobberfolier, inkludert åpen-kretsspenning, intern AC-motstand, reversibel kapasitet, initial ladning-utladningseffektivitet og spesifikk kapasitetsutnyttelse av katoden, ble oppnådd ved å beregne gjennomsnittsmålinger fra 10 prøvepunkter. Sammenligning viser at den indre AC-motstanden til cellen som bruker karbon-belagt kobberfolie er lavere enn den til cellen som bruker dobbeltsidig glatt kobberfolie. Dette er først og fremst fordi elektrodeplaten laget med karbon-belagt kobberfolie har lavere resistivitet, og reduserer dermed den totale kontaktmotstanden til cellen. Den spesifikke kapasitetsutnyttelsen av cellen som bruker karbon-belagt kobberfolie er litt lavere (med 0,5 mAh/g) enn for cellen som bruker dobbeltsidig glatt kobberfolie. Dette kan skyldes introduksjonen av karbonbelegget som fører til mindre litium-ion-interkalering, forbruker noen litiumioner og øker den irreversible kapasiteten til cellen.

Utladningskurvene til posecellene satt sammen med de to typene kobberfolie ved forskjellige hastigheter ved romtemperatur viser at når utladningshastigheten øker, avtar utladningsplatået til begge celletyper, og utladningskapasiteten avtar gradvis. Et betydelig fallbøyningspunkt vises når utslippshastigheten når 4C. Dette skyldes hovedsakelig, med økningen i utladningsstrømmen, litiumioner, etter å ha frigitt elektroner, ikke umiddelbart kan forlate anoden og diffundere inn i elektrolytten, noe som skaper en betydelig litium-ionkonsentrasjonsgradient. Dette øker elektrodepotensialet som kreves for at litiumioner skal returnere til katoden, noe som fører til økt indre trykk i cellen og en påfølgende senking av utladningsplatået. Ved å sammenligne de nevnte hastighetsutladningskurvene og utladningskapasitetens retensjonshastigheter ved forskjellige hastigheter, er utladningsplatåene til de to celletypene i det vesentlige identiske med samme hastighet. Til lave priser (<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.

Sykluskurvene til posecellene satt sammen med de to typene kobberfolie under 1C/1C ladnings-utladningsforhold ved romtemperatur viser at etter 300 sykluser er kapasitetsretensjonsraten 89,5 % for den karbon-belagte kobberfoliecellen, sammenlignet med 84,2 % for den dobbelte glatte{{7} kobberfolien. Syklusstabiliteten til den karbon-belagte kobberfoliecellen er betydelig forbedret sammenlignet med den dobbeltsidige- glatte kobberfoliecellen. Denne fordelen stammer fra to hovedaspekter: For det første øker det ledende karbonlaget som er belagt på kobberfolieoverflaten kontaktarealet mellom det aktive materialet og kobberfolien, og den porøse overflatestrukturen gir flere kontaktsteder for det aktive materialet, noe som forbedrer interaksjonen med strømkollektoren; for det andre styrker tilstedeværelsen av harpiksbindemidlet i karbonbelegget adhesjonen mellom det aktive materialet og kobberfolien ytterligere. Dette undertrykker i betydelig grad fenomenet med aktiv materialepulverisering i silisium-baserte anoder forårsaket av den store ekspansjonshastigheten til partikler etter flere sykluser, og forlenger dermed batteriets levetid.

(1) Øker avrivningsstyrken til SiO-C-anodeelektrodeplaten samtidig som dens resistivitet reduseres.
(2) Forbedrer høy/lav-temperaturytelse og hastighetskapasitet, men ikke vesentlig.
(3) Forbedrer effektivt syklusytelsen til silisium-baserte batterier. Sammenlignet med dobbeltsidig glatt kobberfolie er kapasitetsbevaringsgraden etter 300 sykluser ved 1C lade-/utladningshastighet forbedret med 5,2 %.

Referanser

China National Knowledge Infrastructure (CNKI)
Forskning og bruk av karbonbelagt kobberfolie i silisium-basert litium-ionbatteri
Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co., Ltd.
Shen Xiaohui

NÅ TIL VÅRT TEKNISKE TEAM

Du kan besøke produktlenken vårhttp://www/karbon-belagt-folie/karbon-belagt-kobber-folie/ledende-karbon-belagt-kobber-folie.htmlfor flere detaljer