Bygg nollvolymsvällning av litiumkompositanod för att uppnå hög energitäthet
Litteraturuppskattning: Bygg nollvolymsvällning av litiumkompositanod för att uppnå stabilt flexibelt litiummetallbatteri med hög energidensitet
Författarinformation och artikelsammanfattning
År 2022 samarbetade forskargruppen Deng Yonghong vid Southern University of Science and Technology med professor Zheng Zijian från Hong Kong Polytechnic University (första författare: Luo Chao, doktorand vid Southern University of Science and Technology) och utvecklade en roller to roller-metod för att förbered noll-volym expanderad litiumkomposit negativ elektrod, som avsevärt kan förbättra energitätheten och de flexibla mekaniska egenskaperna hos litiummetallbatterier. Den negativa elektroden har en sandwichstruktur: Inklusive det övre elektroniska isoleringsskiktet, litiumaffinitetsskiktet i botten och det porösa skiktet i mitten. Författaren verifierade vidare den utmärkta flexibiliteten, energitätheten och cykelretentionshastigheten för litiummetallbatteriet genom att matcha positiva NCM- och LCO-elektroder.
Figur 1. Schematiskt diagram av nollvolymexpansionsanoden med litiuminbäddning
Testprogram
1. Bygg litiumkompositanod och litiummetall fullt batteri.
2. Strukturell karaktärisering: Den morfologiska karakteriseringen av FE-SEM, den kemiska ytstrukturen, XPS och svällningsbeteendet, SWE2100 (IEST).
3. Elektrokemisk prestandakarakterisering: Cykelprestandan för elektriskt spänne och mjukt paket.
4. Mekanisk prestandakarakterisering: Böjningsprestanda för elektrod och påsebatteri.
Tolkning av resultat
Figur 2. Designprincip och volymsvällningsbeteende för litiummetallanod med noll volymsvullnad
Med hjälp av en elektronisk isolerande porös film (EIfilm), som kombinerar en Cu-belagd kolfibermatris (Cu CM) och en ultratunn Li Mg-legeringsplåt, förberedde författaren en ihålig sammansatt litiummetallanod. Den framgångsrika beredningen av sandwichstrukturen litiumkompositanod bekräftades genom att använda SEM och elementkartläggningsdiagrammet. För att demonstrera nollvolymensvullnadegenskaperna hos denna komposit, sammanställde författarna Li mot NCM811Enkelskiktscellen, med hjälp av testmetoden in-situsvullnadtjocklek ochsvullnadkraft, kan uppenbarligen jämföra den lilla tjockleken eller spänningensvullnadav noll VE-Li-anod i processen för laddning och urladdning, vilket bevisar det utmärktasvullnadkompositmaterialets undertryckande prestanda.
Figur 3. SEI- och cykelstabilitetsanalysdiagram för litiummetallanoden med noll volymsvullnad
Genom att XPS karakteriserar litiummetallgränssnittsförändringarna som orsakas av det övre skiktets isoleringsfunktionella skikt av den nya litiummetallanoden, bevisas det att SEI innehåller det oorganiska skiktet Li med den bästa hämmande effekten på litiumdendrit3N och Li F. Och den positiva polen är NCM811Jämfört med de två typerna av LCO-batterier har battericellen den högsta retentionshastigheten för cykelkapacitet med noll VE-Li som negativ elektrod.
Figur 4. Elektrokemisk och mekanisk stabilitet för ett enda lager av litiummetallhelbatteri
Genom dynamisk böjning och motståndstestning fann författarna att noll VE-Li visade inga signifikanta förändringar i resistans och morfologi efter 4 000 böjningsexperiment, vilket visade utmärkt flexibilitet. Noll VE-Li-elektroden matchades med den flexibla positiva elektroden med hög ytbelastning för att montera de flexibla batterierna. Från utvärderingen av elektrokemisk cykelstabilitet och mekanisk stabilitet, nollvolymensvullnadnegativ elektrod visade hög Cullomb-effektivitet, hög retentionshastighet för cykelkapacitet och goda flexibla egenskaper.
Figur 5. Elektrokemisk och mekanisk stabilitet hos ett helbatteri av litiummetall i flera lager
Författarna fortsatte med att förbereda dubbelsidig noll-volym expansionsanoder och fann att de hade högre massspecifik kapacitet än kommersiella anodmaterial. De sammansatta flerlagers flexibla litiummetallbatterierna har en hög viktenergitäthet och volymenergitäthet och kan fortfarande behålla en kapacitetsretention på 75 % efter 3 000 varv av böjningsexperiment. Genom att jämföra energitäthetsvärdena för flexibla litiumbaserade batterier i annan relaterad litteratur, har det flexibla litiummetallbatteriet baserat på den nollvolymsvällande litiumkompositanoden som utvecklats i detta arbete en extremt hög ytenergidensitet (22,7 mWh cm)-2), Praktisk volymenergitäthet (375 W h L-1, Baserat på volymen av den positiva och negativa elektroden, membranet och förpackningsmaterialet) och en rekordsättande flexibel kvalitetsfaktor (FOM, 45,6).
Summera
Detta papper utvecklar en noll-volym-expanderad litiumkompositanod, som har utmärkta elektrokemiska egenskaper och mekanisk flexibilitet, och avsevärt kan förbättra energitätheten hos litiummetallbatterier. Den negativa elektroden har en sandwichstruktur: Inklusive det övre elektroniska isoleringsskiktet i botten, litiumaffinitetsskiktet i botten och det porösa skiktet i mitten.
Författaren verifierade vidare den utmärkta flexibiliteten, energitätheten och cykelretentionshastigheten för motsvarande flexibla litiummetallbatteri genom att matcha positiva NCM- och LCO-elektroder. Expansionsdesignen med noll volym ger nya idéer för den praktiska tillämpningen av litiummetallbatterier. Tillverkningsprocessen för volym till volym visar också sin potential för storskalig produktion. I princip noll-volymensvullnadDesignen är också lämplig för att bygga andra negativa metallbatterier (som natrium-, kalium- och zinkmetallbatterier) för att förbättra energitätheten, cykling och strukturell stabilitet.
Originallitteraturen
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 noll -Volymexpansion av litiumkompositanoder för att förverkliga flexibla och stabila litiummetallbatterier med hög energidensitet. Advanced Materials, doi.org/10.1002/adma.202205677.
IEST energiteknikrelaterad testutrustning rekommenderas
SWE-seriens in-situ svällningsanalyssystem (IEST): Använder en mycket stabil och pålitlig automationsplattform, utrustad med högprecisionsgivare för tjockleksmätning, för att mäta mängden tjockleksändring och förändringshastighet för hela laddnings- och urladdningsprocessen i cellen, vilket kan realisera följande funktioner:
1. Konstant trycktillstånd för att testa kurvan för batteriets svällningstjocklek.
2. Testa batteriets svällkraftskurva under konstant gap.
3. Batterikompressionsprestandatest: spännings- och töjningskurva-kompressionsmodul.
4. Batteriets svällkraft steg för steg test.
5. Olika temperaturkontroll: -20~80℃.
