Aluminiumsfolie er den primære katodestrømaftager i kommercielle lithium-ionbatterier. Konventionelle aluminiumsfoliestrømaftagere giver dog adskillige udfordringer, herunder kontaktmodstand ved grænsefladen mellem den stive folie og de katodeaktive materialeenheder, hvilket fører til betydelig grænseflademodstand. Svag vedhæftning til det aktive materiale, kombineret med kontinuerlige volumenændringer af elektroden under opladnings-/afladningscyklusser, kan forårsage løsrivelse af aktivt materiale ("støvning"), accelererende kapacitetsfading og forringelse af levetiden. Desuden kan produkter fra den oxidative nedbrydning af elektrolytten deltage i elektrokemiske reaktioner på aluminiumsfolien, hvilket fremskynder dens korrosion. For at løse disse problemer er forskellige modifikationsmetoder for aluminiumsfolie blevet undersøgt, herunder kemisk ætsning, elektrokemisk ætsning, DC-anodisering, koronabehandling og ledende belægninger (såsom grafenbelægninger, kulstofnanorørbelægninger og kompositbelægninger) påført på substratoverfladen. Nogle af disse bruges allerede i kommercielle produkter. I de senere år er ledende belægninger, især kul-belagt aluminiumsfolie, blevet udbredt. De primære årsager er deres evne til at reducere grænsefladekontaktmodstanden af katodestrømkollektoren, afbøde polarisering og følgelig forbedre batteriets afladningshastighed til en vis grad.
Aktuel forskning i kulstofbelagte-folier fokuserer primært på foliekompatibilitet med katodeformuleringer og hastighedsydelse. Metoder som kemisk korrosion, elektrokemisk ætsning og koronabehandling kan forbedre befugtningsevnen og overfladeruheden af aluminiumsfolie, reducere ladningsoverførselsmodstanden og forbedre hastigheden og cyklusydelsen. Belægninger såsom grafen, kulstofnanorør og anti-korrosionsbelægninger har alle vist sig at forbedre celleydelsen. For eksempel bemærkede en undersøgelse, at en grafenbelægning resulterede i en stigning på blot 5 mΩ i indre modstand efter 50 cyklusser, hvilket viser god vedhæftning. Mens der er blevet udført betydelig forskning i gyllesystemer, procesimplementering og overfladebehandlingsteknologier, er virkningen af kulstofbelægningstykkelse på den samlede celleydelse, især på hastigheden og cyklusydelsen af lithiumjernphosphat (LFP) katoder, sjældent blevet rapporteret. Denne undersøgelse anvender primært 16 μm tyk aluminiumsfolie som substrat til at undersøge de morfologiske ændringer af folien med varierende kulstofbelægningstykkelser og deres efterfølgende indvirkning på cellens ydeevne.
Fysiske egenskaber af belagte folier med forskellige tykkelser
Som vist i mellem tabel, øges arealdensiteten af folien gradvist med den ledende belægningstykkelse. Foliens elektriske modstand ændres ikke lineært med tykkelsen. Alle strømaftagere med en kulstofbelægning udviser dårligere ledningsevne end rent aluminium, med modstandsværdier 2 til 6 gange højere. Prøve Al-2 viser den laveste indre modstand, mens Al-5 har den højeste. Dette tilskrives det øgede indhold af (mindre ledende) bindemiddel/kolloidt materiale i belægningen, efterhånden som belægningsvægten stiger. Efterhånden som kulstofbelægningens tykkelse øges, øges kontaktarealet mellem det aktive lithiumjernphosphat (LFP) materiale og det ledende belægningslag, hvilket fører til en øget afskalningsstyrke. Med mere indlejret areal øges kontakten mellem det aktive materiale og bindemidlet/kolloidmaterialet i det ledende lag imidlertid også, hvilket øger modstanden.
|
Ingen.
|
Total tykkelse μm
|
Områdetæthed g · m－2
|
Belægning Areal Density g · m－2 |
Modstand /mΩ
|
|
| Dobbelt-sidet | Enkelt-sidet | ||||
|
Al |
16 |
43. 036 76 |
0 |
0 |
21. 17 |
|
Al-1 |
17 |
44. 691 79 |
1. 655 0 |
0. 827 5 |
77. 51 |
|
Al-2 |
18 |
45. 583 08 |
2. 546 3 |
1. 273 1 |
43. 21 |
|
Al-3 |
19 |
46. 219 72 |
3. 182 9 |
1. 591 4 |
58. 70 |
|
Al-4 |
20 |
47. 302 00 |
4. 265 2 |
2. 132 6 |
111. 10 |
|
Al-5 |
21 |
48. 766 26 |
5. 729 4 |
2. 864 7 |
131. 10 |
Morfologi og grundstofanalyse af belagte folier med forskellige tykkelser
Overfladen af det kul-coatede substrat virker generelt løs og porøs. Sammenlignet med bar aluminiumsfolie bliver overfladen mere ru, hvilket giver flere partikelkontaktpunkter. Overfladetopografiens bølgeform bliver mere udtalt med stigende ledende belægningstykkelse. Men selv for Al-1-folien er carbonlaget ensartet belagt på den nøgne aluminiumsfolie. Denne ledende belægning består af partikler omkring 3,4 μm i størrelse og mindre partikler i området 150-200 nm, med en vis agglomeration af partikler fra den ledende belægningsslam. Møntceller fremstillet med kulstofbelagte aluminiumsfolier af forskellig tykkelse udviser alle symmetriske oxidations- og reduktionstoppe, hvilket indikerer bedre redoxreaktionsreversibilitet sammenlignet med nøgen aluminiumsfolie. Potentialeforskellen mellem oxidations- og reduktionstoppene er mindre end for nøgne aluminiumsfolie, hvilket tyder på, at tilstedeværelsen af kulstofbelægningen afbøder elektrodepolarisering.
Konklusion
Fra det fysisk-kemiske egenskabsperspektiv
- Afskalningsstyrken af elektrodepladen øges med kulstofbelægningens tykkelse.
- Modstanden af elektrodepladen øges med belægningens tykkelse.
- Den mindste modstandsværdi blev observeret ved en total tykkelse på 2,0 μm.
- Ved tykkelser på 4,0 μm og 5,0 μm øges ladningsoverførselsmodstanden, diffusionsevnen af Li+ svækkes, og polariseringen øges.
- Disse resultater indikerer, at kulstofbelægningens tykkelse skal kontrolleres inden for et passende område.
Fra det fulde-celleelektrokemiske ydeevneperspektiv
- Carbon-belagt aluminiumsfolie viste fordele ved cykling ved stuetemperatur på 0,5C og 2,0C, såvel som ved lav-temperaturudledning ved -20 grader.
- Den optimale cykelydelse under disse forhold blev observeret ved en samlet belægningstykkelse på 2,0 μm.
- Eksperimenterne afslørede også, at ved en strømhastighed på 1,0 C udviste den nøgne aluminiumsfolie enestående cykelydelse, idet den bibeholdt over 90 % kapacitetsretention efter 1.500 cyklusser. Denne konstatering giver en retning for yderligere undersøgelse af mekanismen for carbon-belagt aluminiumsfolie.
- Ydeevnen varierer med forskellige kulstofbelægningstykkelser. Brug af for høje belægningstykkelser (f.eks. 4,0 μm og 5,0 μm) forbedrer ikke effektivt batteriets ydeevne, men spilder i stedet gyllemateriale og øger omkostningerne.
- Mens nøgen aluminiumsfolie kan opnå den optimale cykluslevetid ved 1,0C, viser dens cykluskurve betydelige udsving, hvilket er skadeligt for det senere-stadiums estimering af batteriets sundhedstilstand (SOH).
I betragtning af alle indikatorer er en samlet kulstofbelægningstykkelse på1.0 μmrepræsenterer det optimale omkostnings--ydelsesvalg for kul-belagt aluminiumsfolie.
Referencer
China National Knowledge Infrastructure (CNKI)
Du kan besøge vores produktlinkhttp://www/kulstof-belagt-folie/kulstof-belagt-aluminium-folie/kulstof-belagt-aluminium-folie-til.htmlfor flere detaljer
