Litium--ioni-akuissa käytetyn hiili-päällystetyn kuparifolion käyttö

Uusien energiaajoneuvojen alan nopean kehityksen myötä litiumioniakkujen korkeamman energiatiheyden kysyntä kasvaa. Akkujen ominaisenergian parantaminen ei ainoastaan ​​hyödytä sähköajoneuvojen ajomatkaa, vaan se voi myös merkittävästi helpottaa nykyistä korkeiden kustannusten haastetta. Kun litium-ioni-akkujen energiatiheys jatkaa nousuaan, korkean-nikkelikatodien ja pii-hiilianodien yhdistelmästä on tullut vakiokokoonpano seuraavan -sukupolven korkean-energia-tiheyksisten litium--ioniakkujen kehittämisessä. Pii kuitenkin käy läpi merkittäviä tilavuusmuutoksia lataus- ja purkujaksojen aikana, mikä johtaa aktiivisen materiaalin hiukkasten jauhamiseen, kosketuspisteiden menetykseen johtavien aineiden kanssa ja jopa irtautumiseen virrankerääjästä. Tämä johtaa nopeaan kapasiteetin heikkenemiseen ja pii{12}}hiilianodien käyttöiän lyhenemiseen, mikä estää niiden käyttöä litiumioniakuissa.

Pii{0}}hiilianodimateriaalien kehittäminen on ollut pitkään painopiste litium-ioni-akkujen tutkimuksessa, joka keskittyy ensisijaisesti itse materiaalin optimointiin ja muokkaamiseen. Tähän sisältyy piimateriaalin hiukkaskoon ja rakenteen optimointi sekä pii-hiilen rakenteen ja menetelmien optimointi. Pii{5}}hiilianodimateriaalien käytännön sovellusten saavuttamiseksi optimointi elektrodien ja jopa akun suunnittelu- ja valmistusprosessien aikana on herättänyt yhä enemmän huomiota ja tutkimusta. Esimerkkejä ovat optimoivat johtavat aineet, lieteprosessissa käytetyt sideaineet, pinnoitealueen tiheys, tiivistystiheys, elektrolyyttikoostumus ja muodostusprosessit.

Elektrodin tärkeänä komponenttina kuparikalvo tukee negatiivisen elektrodin aktiivista materiaalia samalla kun se kerää generoituja elektroneja ja johtaa ne ulkoiseen piiriin virran muodostamiseksi. Jos aktiivisen materiaalin ja kuparikalvon välinen adheesio on riittämätön, pii-hiilihiukkaset voivat helposti irrota kuparikalvosta pyöräilyn aikana suurten tilavuusmuutosten vuoksi, mikä johtaa huonoon syklin suorituskykyyn. Akkujen käyttöiän parantamiseksi tässä tutkimuksessa käytetään sähköä johtavalla hiilikerroksella päällystettyä kuparifoliota akkuihin. Pinoamisprosessia käyttämällä valmistettiin 9,5 Ah:n pussitehokennoja, joissa oli kolmiosainen materiaali katodina ja piioksidi{5}}hiilikomposiitti anodina. Hiili-päällystetyn kuparifolion vaikutuksia tavalliseen kaksipuoliseen sileään kuparifolioon verrattuna tutkittiin solujen nopeuskykyyn, korkean/matalan lämpötilan suorituskykyyn ja syklin suorituskykyyn.

Kokeissamme käytimme hiili{0}}pinnoitettua kuparifoliota, joka perustui paljaaseen kalvoon ja joka oli päällystetty molemmilta puolilta johtavalla hiilellä ja hartsisideaineella. Tämä parantaa virrankerääjän johtavuutta varmistaen hyvän kosketusvastuksen ja lisää samalla aktiivisen materiaalin ja virrankeräimen välistä tarttuvuutta, mikä parantaa akun käyttöikää. Kaksipuoleisen-pehmeän kuparikalvon, hiili-päällystetyn kuparikalvon ja elektrodilevyjen SEM-kuvat paljastavat, että kaksipuolisen-kuparikalvon pinta on tasainen. Hiili-päällystetyn kuparikalvon pinnalla olevat johtavat hiilihiukkaset ovat jakautuneet tasaisesti, hiukkasten halkaisija on noin 15-20 nm, ja niissä on pallomainen-rakenne, joka on liimattu yhteen hartsiliimalla. Pinta on löysä ja huokoinen, mikä parantaa tehokkaasti aktiivisen materiaalin tarttumista virrankerääjään. Lisäksi aktiivisen materiaalin ja virranottimen välinen kosketuspinta kasvaa, mikä auttaa vähentämään elektrodilevyn kosketusresistanssia. SiO-C-anodilevyn pinnan ja poikkileikkauksen rakenteesta tehdyt havainnot osoittavat tasaisen hiukkasjakauman, jolloin hiukkaset säilyvät ehjinä murtumatta tiivistystiheyden ollessa 1,6 g/cc.

Eri kuparikalvoilla valmistettujen negatiivisten elektrodilevyjen perusparametrit osoittavat, että hiili{0}}päällystettyä kuparikalvoa käyttävän levyn kuoriutumislujuus kasvaa merkittävästi verrattuna kaksipuoleiseen sileään kuparikalvoon, kun taas elektrodilevyn ominaisvastus pienenee. Tämä osoittaa, että hiilipinnoitekerros voi lisätä kosketuspinta-alaa aktiivisen materiaalin ja virrankeräimen välillä, parantaa elektrodilevyn elektronista johtavuutta ja vähentää kontaktiresistanssia aktiivisen materiaalin ja virrankeräimen välillä. Lisäksi hartsisideaineen sisältävä hiilikerros toimii siirtymäkerroksena vahvistaen aktiivisen materiaalin ja virrankerääjän välistä sidosta.

Eri kuparikalvoilla valmistettujen 9,5 Ah:n pussikennojen osittaiset sähkökemialliset suorituskykytiedot, mukaan lukien avoimen-piirin jännite, AC:n sisäinen resistanssi, palautuva kapasiteetti, alkulatauksen-purkautumistehokkuus ja katodin ominaiskapasiteetin käyttöaste, saatiin laskemalla 10 näytepisteen mittausten keskiarvo. Vertailu osoittaa, että hiili-päällystettyä kuparikalvoa käyttävän kennon AC-sisäinen vastus on pienempi kuin kaksipuolista-pehmeää kuparikalvoa käyttävän kennon. Tämä johtuu ensisijaisesti siitä, että hiili-päällystetystä kuparikalvosta valmistetulla elektrodilevyllä on pienempi resistiivisyys, mikä vähentää kennon kokonaiskosketusresistanssia. Hiili{10}}päällystettyä kuparikalvoa käyttävän kennon ominaiskapasiteetin käyttöaste on hieman pienempi (0,5 mAh/g) kuin kennon, jossa käytetään kaksipuolista sileää kuparikalvoa. Tämä saattaa johtua hiilipinnoitteen käyttöönotosta, mikä johtaa vähäiseen litium-ionien interkaloitumiseen, kuluttaa joitain litiumioneja ja lisää kennon palautumatonta kapasiteettia.

Kahden tyyppisellä kuparifoliolla eri nopeuksilla huoneenlämpötilassa koottujen pussikennojen purkauskäyrät osoittavat, että purkausnopeuden kasvaessa molempien kennotyyppien purkaustasanne pienenee ja purkauskapasiteetti pienenee vähitellen. Merkittävä pudotuksen käännekohta ilmestyy, kun purkausnopeus saavuttaa 4C. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että purkausvirran kasvaessa litiumionit eivät elektronien vapauttamisen jälkeen voi nopeasti poistua anodista ja diffundoitua elektrolyyttiin, mikä luo huomattavan litium-ionikonsentraatiogradientin. Tämä lisää elektrodin potentiaalia, joka tarvitaan litiumionien palaamiseen katodille, mikä johtaa kohonneeseen sisäiseen paineeseen kennossa ja siitä johtuvaan purkaustasanneen alenemiseen. Verrattaessa edellä mainittuja nopeuspurkauskäyriä ja purkauskapasiteetin säilymisnopeuksia eri nopeuksilla, kahden kennotyypin purkaustasannet ovat oleellisesti identtisiä samalla nopeudella. Alhaisilla hinnoilla (<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.

Kahdella kuparifoliolla koottujen pussikennojen syklikäyrät 1C/1C-lataus-purkausolosuhteissa huoneenlämpötilassa osoittavat, että 300 syklin jälkeen kapasiteetin säilyvyysaste on 89,5 % hiili-päällystetyssä kuparifoliokennossa verrattuna 84,2 %:iin kaksinkertaisen-kuparifoliokennon kohdalla. Hiili-päällystetyn kuparifoliokennon syklin vakaus on huomattavasti parempi verrattuna kaksipuoliseen{10}}tasaiseen kuparikalvokennoon. Tämä hyöty johtuu kahdesta pääasiasta: ensinnäkin kuparikalvon pinnalle päällystetty johtava hiilikerros lisää aktiivisen materiaalin ja kuparikalvon välistä kosketusaluetta, ja huokoinen pintarakenne tarjoaa enemmän kosketuskohtia aktiiviselle materiaalille, mikä parantaa vuorovaikutusta virrankerääjän kanssa; toiseksi hartsisideaineen läsnäolo hiilipäällysteessä vahvistaa entisestään aktiivisen materiaalin ja kuparikalvon välistä adheesiota. Tämä vähentää merkittävästi aktiivisen materiaalin jauhamista pii{13}}pohjaisissa anodeissa, joka johtuu hiukkasten suuresta laajenemisnopeudesta useiden jaksojen jälkeen, mikä pidentää tehokkaasti akun käyttöikää.

(1) Lisää SiO-C-anodielektrodilevyn kuoriutumislujuutta ja vähentää samalla sen ominaisvastusta.
(2) Parantaa korkean/matalan lämpötilan{1}}suorituskykyä ja nopeutta, mutta ei merkittävästi.
(3) Parantaa tehokkaasti pii-akkujen syklin suorituskykyä. Verrattuna kaksipuoleiseen sileään kuparifolioon, kapasiteetin säilyvyyssuhde 300 jakson jälkeen 1C:n lataus-/purkausnopeudella paranee 5,2 %.

Viitteet

Kiinan kansallinen tietoinfrastruktuuri (CNKI)
Hiilipinnoitetun kuparifolion tutkimus ja käyttö pii{0}}pohjaisessa litium--ioniakussa
Shaanxi Coal Chemical Technology Research Institute Co., Ltd.
Shen Xiaohui

TUTUSTU TEKNISEEN TIIMEMME

Voit vierailla tuotelinkissämmehttp://www/carbon-coated-folio/carbon-coated-copper-foil/conductive-carbon-coated-copper-foil.htmlsaadaksesi lisätietoja