Påføring af kulstof-belagt kobberfolie brugt i lithium-ionbatterier

Med den hurtige udvikling af den nye energikøretøjssektor stiger efterspørgslen efter højere energitæthed i lithium-ion-sekundære batterier. Forbedring af batteriernes specifikke energi gavner ikke kun rækkevidden af ​​elektriske køretøjer, men kan også i væsentlig grad afhjælpe den nuværende udfordring med høje omkostninger. Efterhånden som energitætheden af ​​lithium-ionbatterier fortsætter med at stige, er kombinationen af-nikkelkatoder med silicium-carbonanoder blevet standardkonfigurationen til udvikling af næste-generations høj-energi-densitetslithium-ionbatterier. Silicium gennemgår dog betydelige volumenændringer under opladnings- og afladningscyklusser, hvilket fører til pulverisering af aktive materialepartikler, tab af kontaktpunkter med ledende midler og endda løsrivelse fra strømopsamleren. Dette resulterer i hurtigt kapacitetsfald og forkortet cykluslevetid for silicium-carbonanoder, hvilket forhindrer deres anvendelse i lithium-ion-batterier.

Udviklingen af ​​silicium-carbonanodematerialer har længe været et fokus inden for forskning i lithium-ionbatterier, primært centreret om at optimere og modificere selve materialet. Dette omfatter optimering af partikelstørrelsen og strukturen af ​​siliciummaterialet, såvel som strukturen og metoderne til silicium-kulstofsammensætning. For at opnå den praktiske anvendelse af silicium-carbonanodematerialer har optimering under elektrode- og endda batteridesign og fremstillingsprocesser fået stigende opmærksomhed og forskning. Eksempler omfatter optimering af ledende midler, bindemidler anvendt i gylleprocessen, belægningsarealtæthed, komprimeringsdensitet, elektrolytsammensætning og dannelsesprocesser.

Som en afgørende komponent i elektroden understøtter kobberfolien det negative elektrodeaktive materiale, mens det opsamler genererede elektroner og leder dem til det eksterne kredsløb for at danne strøm. Hvis adhæsionen mellem det aktive materiale og kobberfolien er utilstrækkelig, kan silicium-kulstofpartikler let løsne sig fra kobberfolien under cykling på grund af deres store volumenændringer, hvilket fører til dårlig cyklusydelse. For at forbedre batteriernes cykluslevetid anvender denne undersøgelse kobberfolie belagt med et ledende kulstoflag til at drive batterier. Ved hjælp af en stablingsproces blev 9,5 Ah posekraftceller fremstillet med ternært materiale som katode og siliciumoxid-kulstofkomposit som anode. Virkningerne af kul-belagt kobberfolie sammenlignet med almindelig dobbelt-glat kobberfolie på cellernes hastighedsevne, høj/lav-temperaturydelse og cyklusydeevne blev undersøgt.

I vores eksperimenter brugte vi kul-belagt kobberfolie baseret på bar folie, belagt på begge sider med ledende kulstof og harpiksbindemiddel. Dette tjener til at forbedre strømaftagerens ledningsevne, hvilket sikrer god kontaktmodstand, samtidig med at adhæsionen mellem det aktive materiale og strømaftageren øges, og derved forbedre batteriets levetid. SEM-billeder af den dobbelt-sidede glatte kobberfolie, carbon-belagte kobberfolie og elektrodeark afslører, at den dobbelt-sidede glatte kobberfolieoverflade er flad. De ledende kulstofpartikler på overfladen af ​​den kul-belagte kobberfolie er ensartet fordelt med en partikeldiameter på ca. 15-20 nm, og udviser en sfærisk-lignende struktur, der er bundet sammen af ​​harpiksklæbemiddel. Overfladen er løs og porøs, hvilket effektivt forbedrer vedhæftningen af ​​det aktive materiale til strømaftageren. Derudover øges kontaktarealet mellem det aktive materiale og strømaftageren, hvilket hjælper med at reducere kontaktmodstanden på elektrodepladen. Observationer af overfladen og tværsnitsstrukturen af ​​SiO-C anodepladen viser ensartet partikelfordeling, hvor partikler forbliver intakte uden at gå i stykker under en komprimeringstæthed på 1,6 g/cc.

Grundlæggende parametre for de negative elektrodeplader fremstillet ved hjælp af forskellige kobberfolier indikerer, at afrivningsstyrken af ​​pladen ved hjælp af kul-belagt kobberfolie er signifikant øget sammenlignet med den, der bruger dobbelt- glat kobberfolie, mens modstanden af ​​elektrodearket reduceres. Dette viser, at kulstofbelægningslaget kan øge kontaktarealet mellem det aktive materiale og strømkollektoren, forbedre den elektroniske ledningsevne af elektrodepladen og reducere kontaktmodstanden mellem det aktive materiale og strømkollektoren. Ydermere fungerer carbonlaget indeholdende harpiksbinderen som et overgangslag, der styrker bindingen mellem det aktive materiale og strømaftageren.

Delvise elektrokemiske ydeevnedata for 9,5 Ah posecellerne lavet med forskellige kobberfolier, inklusive åben-kredsløbsspænding, intern AC-modstand, reversibel kapacitet, initial ladning-afladningseffektivitet og specifik kapacitetsudnyttelse af katoden, blev opnået ved at beregne et gennemsnit af målinger fra 10 prøvepunkter. Sammenligning viser, at den indre AC-modstand i cellen ved brug af kul-belagt kobberfolie er lavere end den for cellen, der anvender dobbelt- glat kobberfolie. Dette skyldes primært, at elektrodepladen lavet med kul-belagt kobberfolie har lavere resistivitet, og derved reducerer cellens samlede kontaktmodstand. Den specifikke kapacitetsudnyttelse af cellen ved hjælp af kul-coated kobberfolie er lidt lavere (med 0,5 mAh/g) end den for cellen, der bruger dobbelt-glat kobberfolie. Dette kan skyldes indførelsen af ​​kulstofbelægningen, der fører til mindre lithium-ion-interkalation, forbrug af nogle lithiumioner og forøgelse af cellens irreversible kapacitet.

Udledningskurverne for posecellerne samlet med de to typer kobberfolie ved forskellige hastigheder ved stuetemperatur viser, at når udledningshastigheden stiger, falder udledningsplateauet for begge celletyper, og udledningskapaciteten mindskes gradvist. Et signifikant faldbøjningspunkt vises, når udledningshastigheden når 4C. Dette skyldes hovedsageligt, at lithiumioner, efter at have frigivet elektroner, med stigningen i udladningsstrømmen ikke straks kan forlade anoden og diffundere ind i elektrolytten, hvilket skaber en betydelig lithium-ionkoncentrationsgradient. Dette øger elektrodepotentialet, der kræves for, at lithiumioner kan vende tilbage til katoden, hvilket fører til øget indre tryk i cellen og en deraf følgende sænkning af udladningsplateauet. Ved at sammenligne de førnævnte hastighedsafladningskurver og afladningskapacitetens retentionshastigheder ved forskellige hastigheder, er afladningsplateauerne for de to celletyper i det væsentlige identiske med samme hastighed. 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.

Cykluskurverne for posecellerne samlet med de to typer kobberfolie under 1C/1C ladning-afladningsbetingelser ved stuetemperatur viser, at efter 300 cyklusser er kapacitetsretentionsraten 89,5 % for den kul-belagte kobberfoliecelle sammenlignet med 84,2 % for den dobbelte glatte{{7} kobberfoliecelle. Cyklusstabiliteten af ​​den carbon-belagte kobberfoliecelle er væsentligt forbedret sammenlignet med den dobbeltsidede- glatte kobberfoliecelle. Denne fordel stammer fra to hovedaspekter: For det første øger det ledende kulstoflag, der er belagt på kobberfoliens overflade, kontaktarealet mellem det aktive materiale og kobberfolien, og den porøse overfladestruktur giver flere kontaktsteder for det aktive materiale, hvilket forbedrer interaktionen med strømkollektoren; for det andet styrker tilstedeværelsen af ​​harpiksbindemidlet i carbonbelægningen yderligere adhæsionen mellem det aktive materiale og kobberfolien. Dette undertrykker markant fænomenet med aktiv materialepulverisering i silicium-baserede anoder forårsaget af den store ekspansionshastighed af partikler efter flere cyklusser og forlænger derved effektivt batteriets cykluslevetid.

(1) Øger afrivningsstyrken af ​​SiO-C anodeelektrodepladen, mens dens modstand reduceres.
(2) Forbedrer høj/lav-temperaturydelse og hastighedskapacitet, men ikke væsentligt.
(3) Forbedrer effektivt cyklusydeevnen for silicium-baserede batterier. Sammenlignet med dobbelt- glat kobberfolie er kapacitetsretentionsraten efter 300 cyklusser ved 1C opladning/afladningshastighed forbedret med 5,2 %.

Referencer

China National Knowledge Infrastructure (CNKI)
Forskning og anvendelse af kulstofbelagt kobberfolie i silicium-baseret lithium-ionbatteri
Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co., Ltd.
Shen Xiaohui

RÅ TIL VORES TEKNISKE TEAM

Du kan besøge vores produktlinkhttp://www/kulstof-belagt-folie/kulstof-belagt-kobber-folie/ledende-kulstof-belagt-kobber-folie.htmlfor flere detaljer