Επίδραση του πάχους επικάλυψης άνθρακα του φύλλου αλουμινίου στην απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου-

Το φύλλο αλουμινίου είναι ο κύριος συλλέκτης ρεύματος καθόδου στις εμπορικές μπαταρίες ιόντων λιθίου-. Ωστόσο, οι συμβατικοί συλλέκτες ρεύματος από φύλλο αλουμινίου παρουσιάζουν αρκετές προκλήσεις, συμπεριλαμβανομένης της αντίστασης επαφής στη διεπαφή μεταξύ του άκαμπτου φύλλου και των μονάδων ενεργού υλικού καθόδου, που οδηγεί σε σημαντική διεπιφανειακή αντίσταση. Η ασθενής πρόσφυση με το ενεργό υλικό, σε συνδυασμό με τις συνεχείς αλλαγές όγκου του ηλεκτροδίου κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης, μπορεί να προκαλέσει αποκόλληση του ενεργού υλικού ("σκόνη"), επιτάχυνση της εξασθένισης της ικανότητας και υποβάθμιση της διάρκειας ζωής. Επιπλέον, προϊόντα από την οξειδωτική αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη μπορούν να συμμετέχουν σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις στο φύλλο αλουμινίου, επιταχύνοντας τη διάβρωση του. Για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, έχουν διερευνηθεί διάφορες μέθοδοι τροποποίησης για το φύλλο αλουμινίου, συμπεριλαμβανομένης της χημικής χάραξης, της ηλεκτροχημικής χάραξης, της ανοδίωσης DC, της επεξεργασίας κορώνας και των αγώγιμων επικαλύψεων (όπως επικαλύψεις γραφενίου, επικαλύψεις νανοσωλήνων άνθρακα και σύνθετες επικαλύψεις) που εφαρμόζονται στην επιφάνεια του υποστρώματος. Ορισμένα από αυτά χρησιμοποιούνται ήδη σε εμπορικά προϊόντα. Τα τελευταία χρόνια, οι αγώγιμες επιστρώσεις, ιδιαίτερα το φύλλο αλουμινίου με επίστρωση άνθρακα-, έχουν υιοθετηθεί ευρέως. Οι κύριοι λόγοι είναι η ικανότητά τους να μειώνουν την αντίσταση της διεπιφανειακής επαφής του συλλέκτη καθοδικού ρεύματος, να μειώνουν την πόλωση και κατά συνέπεια να βελτιώνουν σε κάποιο βαθμό την ικανότητα ρυθμού εκφόρτισης της μπαταρίας.

Η τρέχουσα έρευνα για τα φύλλα με επίστρωση άνθρακα-επικεντρώνεται κυρίως στη συμβατότητα του φύλλου με τα σκευάσματα καθόδου και την απόδοση του ρυθμού. Μέθοδοι όπως η χημική διάβρωση, η ηλεκτροχημική χάραξη και η επεξεργασία κορώνας μπορούν να βελτιώσουν τη διαβρεξιμότητα και την τραχύτητα της επιφάνειας του φύλλου αλουμινίου, να μειώσουν την αντίσταση μεταφοράς φορτίου και να βελτιώσουν την απόδοση του ρυθμού και του κύκλου. Επιστρώσεις όπως το γραφένιο, οι νανοσωλήνες άνθρακα και οι αντιδιαβρωτικές επικαλύψεις έχουν αποδειχθεί ότι βελτιώνουν την απόδοση των κυττάρων. Για παράδειγμα, μια μελέτη σημείωσε ότι μια επίστρωση γραφενίου οδήγησε σε αύξηση της εσωτερικής αντίστασης μόλις 5 mΩ μετά από 50 κύκλους, επιδεικνύοντας καλή πρόσφυση. Ενώ έχει διεξαχθεί σημαντική έρευνα σε συστήματα ιλύος, εφαρμογή διεργασιών και τεχνολογίες επιφανειακής επεξεργασίας, σπάνια έχει αναφερθεί ο αντίκτυπος του πάχους επικάλυψης άνθρακα στη συνολική απόδοση των κυττάρων, ιδιαίτερα στον ρυθμό και την απόδοση κύκλου των καθόδων φωσφορικού σιδήρου λιθίου (LFP). Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί κυρίως φύλλο αλουμινίου πάχους 16 μm ως υπόστρωμα για τη διερεύνηση των μορφολογικών αλλαγών του φύλλου με ποικίλα πάχη επικάλυψης άνθρακα και την επακόλουθη επίδρασή τους στην απόδοση των κυττάρων.

Όπως φαίνεται στον πίνακα μεταξύ του Πίνακα, η πυκνότητα της περιοχής του φύλλου αυξάνεται σταδιακά με το πάχος της αγώγιμης επίστρωσης. Η ηλεκτρική αντίσταση του φύλλου δεν αλλάζει γραμμικά με το πάχος. Όλοι οι συλλέκτες ρεύματος με επίστρωση άνθρακα παρουσιάζουν φτωχότερη αγωγιμότητα από το καθαρό αλουμίνιο, με τιμές αντίστασης 2 έως 6 φορές υψηλότερες. Το δείγμα Al-2 δείχνει τη χαμηλότερη εσωτερική αντίσταση, ενώ το Al-5 την υψηλότερη. Αυτό αποδίδεται στην αυξημένη περιεκτικότητα σε (λιγότερο αγώγιμο) συνδετικό/κολλοειδές υλικό εντός της επικάλυψης καθώς αυξάνεται το βάρος της επικάλυψης. Καθώς το πάχος της επικάλυψης άνθρακα αυξάνεται, η περιοχή επαφής μεταξύ του ενεργού υλικού φωσφορικού σιδήρου λιθίου (LFP) και του αγώγιμου στρώματος επικάλυψης αυξάνεται επίσης, οδηγώντας σε αυξημένη αντοχή αποφλοίωσης. Ωστόσο, με μεγαλύτερη ενσωματωμένη επιφάνεια, η επαφή μεταξύ του ενεργού υλικού και του συνδετικού/κολλοειδούς υλικού εντός του αγώγιμου στρώματος αυξάνεται επίσης, αυξάνοντας κατά συνέπεια την αντίσταση.

Η επιφάνεια του επικαλυμμένου με άνθρακα-υποστρώματος φαίνεται συνολικά χαλαρή και πορώδης. Σε σύγκριση με το γυμνό φύλλο αλουμινίου, η επιφάνεια γίνεται πιο τραχιά, παρέχοντας περισσότερα σημεία επαφής σωματιδίων. Η κυματοποίηση της τοπογραφίας της επιφάνειας γίνεται πιο έντονη με την αύξηση του πάχους της αγώγιμης επίστρωσης. Ωστόσο, ακόμη και για το φύλλο Al-1, το στρώμα άνθρακα είναι ομοιόμορφα επικαλυμμένο στο γυμνό φύλλο αλουμινίου. Αυτή η αγώγιμη επίστρωση αποτελείται από σωματίδια μεγέθους περίπου 3,4 μm και μικρότερα σωματίδια στην περιοχή 150-200 nm, ενώ παρατηρείται κάποια συσσωμάτωση σωματιδίων από τον αγώγιμο πολτό επικάλυψης. Οι κυψέλες νομισμάτων που κατασκευάζονται με φύλλα αλουμινίου διαφορετικού πάχους επικαλυμμένα με άνθρακα παρουσιάζουν όλες συμμετρικές κορυφές οξείδωσης και αναγωγής, υποδεικνύοντας καλύτερη αναστρεψιμότητα της αντίδρασης οξειδοαναγωγής σε σύγκριση με το γυμνό φύλλο αλουμινίου. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των κορυφών οξείδωσης και αναγωγής είναι μικρότερη από αυτή του γυμνού φύλλου αλουμινίου, υποδηλώνοντας ότι η παρουσία της επικάλυψης άνθρακα μετριάζει την πόλωση των ηλεκτροδίων.

Από την άποψη της φυσικοχημικής ιδιότητας

• Η αντοχή αποκόλλησης του φύλλου ηλεκτροδίου αυξάνεται με το πάχος της επικάλυψης άνθρακα.
• Η αντίσταση του φύλλου ηλεκτροδίου αυξάνεται με το πάχος της επίστρωσης.
• Η ελάχιστη τιμή αντίστασης παρατηρήθηκε σε συνολικό πάχος 2,0 μm.
• Σε πάχη 4,0 μm και 5,0 μm, η αντίσταση μεταφοράς φορτίου αυξάνεται, η ικανότητα διάχυσης του Li+ εξασθενεί και η πόλωση αυξάνεται.
• Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι το πάχος της επικάλυψης άνθρακα πρέπει να ελέγχεται εντός ενός κατάλληλου εύρους.

Από την οπτική της πλήρους-ηλεκτροχημικής απόδοσης κυψέλης

• Το φύλλο αλουμινίου με επίστρωση άνθρακα-επέδειξε πλεονεκτήματα στην ανακύκλωση θερμοκρασίας δωματίου 0,5 C και 2,0 C, καθώς και στην απόδοση εκκένωσης χαμηλής- θερμοκρασίας στους -20 βαθμούς .
• Η βέλτιστη απόδοση κύκλου υπό αυτές τις συνθήκες παρατηρήθηκε σε συνολικό πάχος επίστρωσης 2,0 μm.
• Τα πειράματα αποκάλυψαν επίσης ότι με ρυθμό ρεύματος 1,0 C, το γυμνό φύλλο αλουμινίου παρουσίασε εξαιρετική απόδοση ποδηλασίας, διατηρώντας πάνω από 90% διατήρηση της χωρητικότητας μετά από 1.500 κύκλους. Αυτό το εύρημα παρέχει μια κατεύθυνση για περαιτέρω διερεύνηση του μηχανισμού του φύλλου αλουμινίου με επίστρωση άνθρακα-.
• Η απόδοση ποικίλλει ανάλογα με τα διαφορετικά πάχη επίστρωσης άνθρακα. Η χρήση υπερβολικά υψηλού πάχους επίστρωσης (π.χ. 4,0 μm και 5,0 μm) δεν βελτιώνει αποτελεσματικά την απόδοση της μπαταρίας, αλλά αντίθετα σπαταλά το υλικό πολτού και αυξάνει το κόστος.
• Ενώ το γυμνό φύλλο αλουμινίου μπορεί να επιτύχει τη βέλτιστη διάρκεια ζωής του κύκλου στους 1,0 C, η καμπύλη ανακύκλωσής του παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις, κάτι που είναι επιζήμιο για την εκτίμηση της κατάστασης υγείας της μπαταρίας (SOH) σε μεταγενέστερο στάδιο.

Λαμβάνοντας υπόψη όλους τους δείκτες συνολικά, ένα συνολικό πάχος επίστρωσης άνθρακα από1.0 μmαντιπροσωπεύει τη βέλτιστη επιλογή κόστους-απόδοσης για φύλλο αλουμινίου με επίστρωση άνθρακα{{1}.

Αναφορές
Εθνική υποδομή γνώσης της Κίνας (CNKI)

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΗΣΤΕ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΑΣ ΟΜΑΔΑ

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