Εφαρμογή άνθρακα-Επικαλυμμένο φύλλο χαλκού που χρησιμοποιείται σε μπαταρίες ιόντων λιθίου-

Με την ταχεία ανάπτυξη του τομέα των νέων ενεργειακών οχημάτων, αυξάνεται η ζήτηση για υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σε δευτερεύουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου-. Η βελτίωση της ειδικής ενέργειας των μπαταριών όχι μόνο ωφελεί την αυτονομία των ηλεκτρικών οχημάτων, αλλά μπορεί επίσης να μετριάσει σημαντικά την τρέχουσα πρόκληση του υψηλού κόστους. Καθώς η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου-συνεχίζει να αυξάνεται, ο συνδυασμός καθόδων υψηλής{4}}νικελίου με-ανόδους πυριτίου έχει γίνει η τυπική διαμόρφωση για την ανάπτυξη ιόντων λιθίου-επόμενης γενιάς υψηλής-ενεργειακής-πυκνότητας{9}. Ωστόσο, το πυρίτιο υφίσταται σημαντικές αλλαγές όγκου κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης, οδηγώντας σε κονιοποίηση των σωματιδίων ενεργού υλικού, απώλεια σημείων επαφής με αγώγιμους παράγοντες και ακόμη και αποκόλληση από τον συλλέκτη ρεύματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη γρήγορη αποσύνθεση της χωρητικότητας και τη συντόμευση του κύκλου ζωής για τα ανόδια πυριτίου-, εμποδίζοντας την εφαρμογή τους σε μπαταρίες ιόντων λιθίου-.

Η ανάπτυξη υλικών πυριτίου-ανόδου άνθρακα έχει αποτελέσει εδώ και καιρό το επίκεντρο της έρευνας για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου{{1}, που επικεντρώνεται κυρίως στη βελτιστοποίηση και την τροποποίηση του ίδιου του υλικού. Αυτό περιλαμβάνει τη βελτιστοποίηση του μεγέθους και της δομής των σωματιδίων του υλικού πυριτίου, καθώς και της δομής και των μεθόδων σύνθεσης πυριτίου-άνθρακα. Για να επιτευχθεί η πρακτική εφαρμογή των υλικών ανόδου του πυριτίου-, η βελτιστοποίηση κατά τη διάρκεια των διαδικασιών σχεδιασμού και κατασκευής ηλεκτροδίων και ακόμη και μπαταρίας έχει συγκεντρώσει αυξανόμενη προσοχή και έρευνα. Παραδείγματα περιλαμβάνουν βελτιστοποιητικούς αγώγιμους παράγοντες, συνδετικά που χρησιμοποιούνται στη διεργασία ιλύος, πυκνότητα περιοχής επικάλυψης, πυκνότητα συμπίεσης, σύνθεση ηλεκτρολυτών και διαδικασίες σχηματισμού.

Ως κρίσιμο συστατικό του ηλεκτροδίου, το φύλλο χαλκού υποστηρίζει το ενεργό υλικό του αρνητικού ηλεκτροδίου ενώ συλλέγει τα παραγόμενα ηλεκτρόνια και τα οδηγεί στο εξωτερικό κύκλωμα για να σχηματίσει ρεύμα. Εάν η πρόσφυση μεταξύ του ενεργού υλικού και του φύλλου χαλκού είναι ανεπαρκής, τα σωματίδια άνθρακα-πυριτίου μπορούν εύκολα να αποκολληθούν από το φύλλο χαλκού κατά τη διάρκεια της ανακύκλωσης λόγω των μεγάλων αλλαγών όγκου τους, οδηγώντας σε κακή απόδοση του κύκλου. Για τη βελτίωση της διάρκειας ζωής των μπαταριών, αυτή η μελέτη εφαρμόζει φύλλο χαλκού επικαλυμμένο με αγώγιμο στρώμα άνθρακα για την τροφοδοσία των μπαταριών. Χρησιμοποιώντας μια διαδικασία στοίβαξης, κατασκευάστηκαν ηλεκτρικές κυψέλες θήκης 9,5 Ah με τριμερές υλικό ως κάθοδο και οξείδιο του πυριτίου-σύνθετο ως άνοδο. Διερευνήθηκαν οι επιδράσεις του φύλλου χαλκού-επικαλυμμένου με άνθρακα σε σύγκριση με το συνηθισμένο λείο φύλλο χαλκού διπλής-όψης στην ικανότητα ταχύτητας, στην απόδοση υψηλής/χαμηλής- θερμοκρασίας και στην απόδοση κύκλου των κυψελών.

Στα πειράματά μας, χρησιμοποιήσαμε φύλλο χαλκού με επίστρωση άνθρακα- με βάση γυμνό φύλλο, επικαλυμμένο και στις δύο πλευρές με αγώγιμο άνθρακα και συνδετικό ρητίνης. Αυτό χρησιμεύει για την ενίσχυση της αγωγιμότητας του συλλέκτη ρεύματος, εξασφαλίζοντας καλή αντίσταση επαφής, ενώ ταυτόχρονα αυξάνει την πρόσφυση μεταξύ του ενεργού υλικού και του συλλέκτη ρεύματος, βελτιώνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Οι εικόνες SEM του-λεπτού φύλλου χαλκού διπλής όψης, του φύλλου χαλκού-επικαλυμμένου με άνθρακα-και των φύλλων ηλεκτροδίων αποκαλύπτουν ότι η επιφάνεια του λείου φύλλου χαλκού διπλής-όψης είναι επίπεδη. Τα αγώγιμα σωματίδια άνθρακα στην επιφάνεια του φύλλου χαλκού-επικαλυμμένου με άνθρακα είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα, με διάμετρο σωματιδίων περίπου 15-20 nm, παρουσιάζοντας μια σφαιρική-σύνθεση συνδεδεμένη μεταξύ τους με κόλλα ρητίνης. Η επιφάνεια είναι χαλαρή και πορώδης, ενισχύοντας αποτελεσματικά την πρόσφυση του ενεργού υλικού στον συλλέκτη ρεύματος. Επιπλέον, η περιοχή επαφής μεταξύ του ενεργού υλικού και του συλλέκτη ρεύματος αυξάνεται, γεγονός που βοηθά στη μείωση της αντίστασης επαφής του φύλλου ηλεκτροδίου. Οι παρατηρήσεις της δομής της επιφάνειας και της διατομής{14}}του φύλλου ανόδου SiO-C δείχνουν ομοιόμορφη κατανομή σωματιδίων, με τα σωματίδια να παραμένουν άθικτα χωρίς θραύση κάτω από πυκνότητα συμπίεσης 1,6 g/cc.

Οι βασικές παράμετροι των φύλλων αρνητικών ηλεκτροδίων που κατασκευάζονται με χρήση διαφορετικών φύλλων χαλκού υποδεικνύουν ότι η αντοχή αποκόλλησης του φύλλου που χρησιμοποιεί φύλλο χαλκού με επίστρωση άνθρακα-είναι σημαντικά αυξημένη σε σύγκριση με αυτήν που χρησιμοποιείται με λείο φύλλο χαλκού διπλής-όψης, ενώ η ειδική αντίσταση του φύλλου ηλεκτροδίου μειώνεται. Αυτό δείχνει ότι το στρώμα επικάλυψης άνθρακα μπορεί να αυξήσει την περιοχή επαφής μεταξύ του ενεργού υλικού και του συλλέκτη ρεύματος, να βελτιώσει την ηλεκτρονική αγωγιμότητα του φύλλου ηλεκτροδίου και να μειώσει την αντίσταση επαφής μεταξύ του ενεργού υλικού και του συλλέκτη ρεύματος. Επιπλέον, το στρώμα άνθρακα που περιέχει το συνδετικό ρητίνης δρα ως μεταβατικό στρώμα, ενισχύοντας τη σύνδεση μεταξύ του ενεργού υλικού και του συλλέκτη ρεύματος.

Τα δεδομένα μερικής ηλεκτροχημικής απόδοσης των κυψελών θήκης 9,5 Ah που κατασκευάζονται με διαφορετικά φύλλα χαλκού, συμπεριλαμβανομένης της τάσης ανοιχτού κυκλώματος, της εσωτερικής αντίστασης AC, της αναστρέψιμης χωρητικότητας, της αρχικής απόδοσης εκφόρτισης- και της χρήσης ειδικής χωρητικότητας της καθόδου, λήφθηκαν με μετρήσεις μέσου όρου από 10 σημεία δείγματος. Η σύγκριση δείχνει ότι η εσωτερική αντίσταση εναλλασσόμενου ρεύματος της κυψέλης που χρησιμοποιεί φύλλο χαλκού-επικαλυμμένο με άνθρακα είναι χαμηλότερη από αυτήν της κυψέλης που χρησιμοποιεί λείο φύλλο χαλκού διπλής-όψης. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι το φύλλο ηλεκτροδίου που είναι κατασκευασμένο με φύλλο χαλκού-επικαλυμμένο με άνθρακα έχει χαμηλότερη ειδική αντίσταση, μειώνοντας έτσι τη συνολική αντίσταση επαφής του στοιχείου. Η ειδική χρησιμοποίηση χωρητικότητας της κυψέλης που χρησιμοποιεί φύλλο χαλκού{10}επικαλυμμένο με άνθρακα είναι ελαφρώς χαμηλότερη (κατά 0,5 mAh/g) από αυτήν της κυψέλης που χρησιμοποιεί λείο φύλλο χαλκού διπλής{12}}όψης. Αυτό μπορεί να οφείλεται στην εισαγωγή της επικάλυψης άνθρακα που οδηγεί σε μικρή παρεμβολή ιόντων λιθίου{14}, καταναλώνοντας ορισμένα ιόντα λιθίου και αυξάνοντας τη μη αναστρέψιμη χωρητικότητα του κυττάρου.

Οι καμπύλες εκκένωσης των κυψελών θύλακα που συναρμολογούνται με τους δύο τύπους φύλλου χαλκού σε διαφορετικούς ρυθμούς σε θερμοκρασία δωματίου δείχνουν ότι καθώς αυξάνεται ο ρυθμός εκφόρτισης, το πλατό εκφόρτισης και των δύο τύπων κυψελών μειώνεται και η ικανότητα εκφόρτισης σταδιακά μειώνεται. Ένα σημαντικό σημείο καμπής πτώσης εμφανίζεται όταν ο ρυθμός εκφόρτισης φτάσει τους 4 C. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι, με την αύξηση του ρεύματος εκφόρτισης, τα ιόντα λιθίου, μετά την απελευθέρωση ηλεκτρονίων, δεν μπορούν να εγκαταλείψουν αμέσως την άνοδο και να διαχυθούν στον ηλεκτρολύτη, δημιουργώντας μια σημαντική κλίση συγκέντρωσης ιόντων λιθίου-. Αυτό αυξάνει το δυναμικό του ηλεκτροδίου που απαιτείται για τα ιόντα λιθίου να επιστρέψουν στην κάθοδο, οδηγώντας σε αυξημένη εσωτερική πίεση στο στοιχείο και επακόλουθη μείωση του οροπεδίου εκκένωσης. Συγκρίνοντας τις προαναφερθείσες καμπύλες εκφόρτισης ρυθμού και τους ρυθμούς συγκράτησης της ικανότητας εκφόρτισης σε διαφορετικούς ρυθμούς, τα επίπεδα εκφόρτισης των δύο τύπων κυψελών είναι ουσιαστικά πανομοιότυπα με τον ίδιο ρυθμό. σε χαμηλές τιμές (<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.

Οι καμπύλες κύκλου των κυψελών θήκης που έχουν συναρμολογηθεί με τους δύο τύπους φύλλου χαλκού υπό συνθήκες φόρτισης 1C/1C-σε θερμοκρασία δωματίου δείχνουν ότι μετά από 300 κύκλους, το ποσοστό διατήρησης χωρητικότητας είναι 89,5% για την κυψέλη από φύλλο άνθρακα-επικαλυμμένη με άνθρακα, σε σύγκριση με 84,2% για τη διπλή{7} κυψέλη από φύλλο χαλκού. Η σταθερότητα του κύκλου της κυψέλης από φύλλο χαλκού-επικαλυμμένης με άνθρακα είναι σημαντικά βελτιωμένη σε σύγκριση με την κυψέλη από λείο φύλλο χαλκού διπλής όψης-. Αυτό το όφελος πηγάζει από δύο κύριες πτυχές: πρώτον, το αγώγιμο στρώμα άνθρακα που επικαλύπτεται στην επιφάνεια του φύλλου χαλκού αυξάνει την περιοχή επαφής μεταξύ του ενεργού υλικού και του φύλλου χαλκού και η πορώδης δομή επιφάνειας παρέχει περισσότερες θέσεις επαφής για το ενεργό υλικό, ενισχύοντας την αλληλεπίδραση με τον τρέχοντα συλλέκτη. Δεύτερον, η παρουσία του συνδετικού ρητίνης στην επικάλυψη άνθρακα ενισχύει περαιτέρω την πρόσφυση μεταξύ του ενεργού υλικού και του φύλλου χαλκού. Αυτό καταστέλλει σημαντικά το φαινόμενο της κονιοποίησης ενεργού υλικού σε ανόδους-με βάση το πυρίτιο που προκαλείται από τον μεγάλο ρυθμό διαστολής των σωματιδίων μετά από πολλούς κύκλους, επεκτείνοντας έτσι αποτελεσματικά τη διάρκεια ζωής του κύκλου της μπαταρίας.

(1) Αυξάνει την αντοχή αποκόλλησης του φύλλου ηλεκτροδίου ανόδου SiO-C ενώ μειώνει την ειδική αντίστασή του.
(2) Βελτιώνει την απόδοση σε υψηλή/χαμηλή{1}}θερμοκρασία και την ικανότητα ρυθμού, αλλά όχι σημαντικά.
(3) Βελτιώνει αποτελεσματικά την απόδοση του κύκλου των μπαταριών-με βάση το πυρίτιο. Σε σύγκριση με το λείο φύλλο χαλκού διπλής-όψης, ο ρυθμός διατήρησης χωρητικότητας μετά από 300 κύκλους σε ρυθμό φόρτισης/εκφόρτισης 1C βελτιώνεται κατά 5,2%.

Αναφορές

Εθνική υποδομή γνώσης της Κίνας (CNKI)
Έρευνα και εφαρμογή φύλλου χαλκού επικαλυμμένο με άνθρακα σε μπαταρία ιόντων λιθίου-πυριτίου-
Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co., Ltd.
Shen Xiaohui

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΗΣΤΕ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΑΣ ΟΜΑΔΑ

Μπορείτε να επισκεφτείτε τον σύνδεσμο του προϊόντος μαςhttp://www/carbon-coated-foil/carbon-coated-copper-foil/conductive-carbon-coated-copper-foil.htmlγια περισσότερες λεπτομέρειες