Konstruktion av nollvolymexpansionslitiumkompositanod för att uppnå hög energitäthet och stabilt flexibelt litiummetallbatteri

Konstruktion av nollvolymexpansionslitiumkompositanod för att uppnå hög energitäthet och stabilt flexibelt litiummetallbatteri

battery tester 


Författarinformation och artikelsammanfattning


År 2022 samarbetade Deng Yonghongs forskargrupp för SUSTech med teamet av professor Zheng Zijian från Hong Kong Polytechnic University (första författare: Luo Chao, doktorand vid Southern University of Science and Technology) för att utveckla en roll-to-roll-metod för att förbered en litiumkompositanod med noll volymexpansion, vilket avsevärt kan förbättra litiummetall Energidensitet och böjbara mekaniska egenskaper hos batterier. Den negativa elektroden har en sandwichstruktur, inklusive ett elektroniskt isolerande skikt på toppen, ett litiofilt skikt på botten och ett poröst skikt i mitten som absorberar volymexpansion. Författarna verifierade vidare den utmärkta flexibiliteten och energin hos litiummetallbatteriet genom att matcha positiva NCM- och LCO-elektroder. egenskaper som densitet och cykelhållning.

lithium-ion battery test 

Figur 1. Schematiskt diagram av litiuminterkalering av nollvolymexpansionsanod

 

 

Testplan


1. Konstruera litiumkompositanod och litiummetallbatteri.


2. Strukturell karakterisering: morfologisk karakterisering FE-SEM, ytkemisk struktur XPS, svällningsbeteende SWE2100 (IEST).


3. Elektrokemisk prestanda karakterisering: cykel prestanda avdrag och mjuk pack.


4. Mekanisk prestandakarakterisering: böjningsprestanda för elektroder och påsceller.

 

Resultatanalys

 

batterytester 

Figur 2. Designprincip och volymexpansionsbeteende för Li-metallanod med noll volymexpansion

 

Författarna förberedde en ihålig sammansatt litiummetallanod genom att använda en elektroniskt isolerande porös film (EI-film) kombinerad med en Cu-belagd kolfibermatris (CuCM) och en ultratunn LiMg-legeringsplåt genom en valsningsprocess. Kompositmaterialets morfologi observerades av SEM och elementkartläggning, vilket bekräftade den framgångsrika beredningen av den sandwichstrukturerade litiumkompositanoden. För att bevisa kompositens nollvolymexpansionsegenskap, satte författarna ihop ett Li-to-NCM811 enskiktsbatteri, med hjälp av in-situ expansionstjocklek och expansionskrafttestmetoder, det kan tydligt jämföras att zeroVE-Li anoden har nästan ingen tjocklek under laddnings-urladdningscykeln. Eller expansionen av spänning, som visar kompositens utmärkta motstånd mot expansion.


battery tester 

Figur 3. SEI och cykelstabilitetsanalys av litiummetallanoden med noll volymexpansion

 

Förändringen av litiummetallgränssnittet som det övre isolerande funktionsskiktet i den nya litiummetallanoden kännetecknades av kännetecknades av XPS, vilket bevisade att SEI innehåller de oorganiska skikten Li3N och LiF med den bästa hämmande effekten på litiumdendriter. Och genom att montera två sorters batterier vars positiva elektroder är NCM811 respektive LCO, kan det tydligt jämföras att cellen har den högsta cykelkapacitetsretentionshastigheten när nollVE-Li används som negativ elektrod.


lithium-ion battery test 

Figur 4. Elektrokemisk och mekanisk stabilitet hos enskikts litiummetall fullceller

 

Genom dynamiskt böjnings- och motståndstest fann författaren att efter 4000 böjningsexperiment förändrades inte motståndet och morfologin för noll VE Li nämnvärt, vilket visade utmärkt flexibilitet. ZeroVE Li-elektroden matchades med en flexibel positiv elektrod med hög yta för att montera ett flexibelt batteri. Ur aspekterna av elektrokemisk cykelstabilitet och mekanisk stabilitet visade den negativa elektroden med noll volymexpansion hög coulomb-effektivitet, hög cykelkapacitetsretentionshastighet och god böjbarhet.

batterytester

Figur 5. Elektrokemisk och mekanisk stabilitet för flerskiktiga litiummetallceller

 

Författaren fortsätter att förbereda dubbelsidig nollvolymexpansionsanod och finner att den har högre massspecifik kapacitet än kommersiella anodmaterial. Det sammansatta flerlagers flexibla litiummetallbatteriet har hög viktenergitäthet och volymenergitäthet och kan fortfarande bibehålla 75 % kapacitetsretention efter 3000 cykler av böjningstest. Genom att jämföra energitäthetsvärdena för flexibla litiumbaserade batterier i andra relevanta dokument, har det flexibla litiummetallbatteriet som utvecklats i detta arbete baserat på nollvolymexpansion av litiumkompositanod en mycket hög ytenergidensitet (22,7 mWh cm-2), en praktisk volymenergitäthet (375 Wh L-1, baserat på volymen av positiva och negativa elektroder, membran och förpackningsmaterial) och en rekord flexibel kvalitetsfaktor (FOM, 45,6).

 

Sammanfatta

 

I detta dokument utvecklades en roll-to-roll-metod för att syntetisera en litiumkompositanod med noll volymsvällning, som har utmärkt elektrokemisk prestanda och mekanisk flexibilitet och avsevärt kan förbättra energitätheten hos litiummetallbatterier. Den negativa elektroden har en sandwichstruktur: den inkluderar ett elektroniskt isolerande lager på toppen, ett litiofilt lager på botten och ett poröst lager i mitten som absorberar volymexpansion. Genom att matcha positiva NCM- och LCO-elektroder, verifierade författaren ytterligare den utmärkta flexibiliteten hos motsvarande flexibla litiummetallbatteri, egenskaper som energitäthet och cykelhållning. Expansionsdesignen med noll volym ger en ny idé för den praktiska tillämpningen av litiummetallbatterier. Tillverkningsprocessen från rulle till rulle visar också sin potential för storskalig produktion. I princip är denna nollvolymexpansionsdesign också användbar för att konstruera andra metallbatterianoder (såsom natrium-, kalium- och zinkmetallbatterier, etc.) för att förbättra energitätheten, cykling och strukturell stabilitet.

 

Original dokumenten


Chao Luo, Hong Hu, Tian Zhang, Shujing Wen, Ruo Wang, Yanan An, Shang-Sen Chi, Jun Wang, Chaoyang Wang, Jian Chang*, Zijian Zheng* och Yonghong Deng*. Roll-to-roll Tillverkning av Zero-volymexpansion av litiumkompositanoder för att förverkliga flexibla och stabila litiummetallbatterier med hög energidensitet. Avancerade material,doi.org/10.1002/adma.202205677.

 

Rekommendation av testutrustning relaterad till IEST


SWE-seriens in-situ svällsystem (IEST): med hjälp av en mycket stabil och pålitlig automationsplattform, utrustad med sensorer för högprecisionstjockleksmätning, kan den mäta tjockleksförändringen och förändringshastigheten för hela laddningsurladdningsprocessen för den elektriska kärnan, och kan uppnå följande funktioner:


1.Testa batteriets expansionstjocklekskurva under konstant tryck.


2.Testa batteriets expansionskraftkurva under konstant gap.


3. Batterikompressionsprestandatest: spännings-töjningskurvans kompressionsmodul.d


4.Steg för steg test av batteriets expansionskraft.


5. Olika temperaturkontroll: - 20~80 ℃.



battery tester 


Få det senaste priset? Vi svarar så snart som möjligt (inom 12 timmar)