Applicering av kol-belagd kopparfolie som används i litium-jonbatterier

Med den snabba utvecklingen av sektorn för nya energifordon ökar efterfrågan på högre energidensitet i litium-jonbatterier. Att förbättra batteriernas specifika energi gynnar inte bara räckvidden för elfordon utan kan också avsevärt lindra den nuvarande utmaningen med höga kostnader. När energitätheten för litium-jonbatterier fortsätter att öka, har kombinationen av hög-nickelkatoder med kisel-kolanoder blivit standardkonfigurationen för att utveckla nästa-generations hög-energi-litium-batterier. Kisel genomgår emellertid betydande volymförändringar under laddnings- och urladdningscykler, vilket leder till pulverisering av aktiva materialpartiklar, förlust av kontaktpunkter med ledande ämnen och till och med lossnar från strömavtagaren. Detta resulterar i snabb kapacitetsminskning och förkortad cykellivslängd för kisel-kolanoder, vilket hindrar deras användning i litium-jonbatterier.

Utvecklingen av kisel-kolanodmaterial har länge varit ett fokus inom forskningen om litium-jonbatterier, främst inriktat på att optimera och modifiera själva materialet. Detta inkluderar att optimera partikelstorleken och strukturen hos kiselmaterialet, såväl som strukturen och metoderna för kisel-kolkomposit. För att uppnå den praktiska tillämpningen av kisel-kolanodmaterial har optimering under elektrod- och till och med batteridesign och tillverkningsprocesser fått ökad uppmärksamhet och forskning. Exempel inkluderar optimerande ledande medel, bindemedel som används i uppslamningsprocessen, yttäthet för beläggning, komprimeringsdensitet, elektrolytsammansättning och formningsprocesser.

Som en avgörande komponent i elektroden stöder kopparfolien det negativa elektrodens aktiva material samtidigt som den samlar upp genererade elektroner och leder dem till den externa kretsen för att bilda ström. Om vidhäftningen mellan det aktiva materialet och kopparfolien är otillräcklig, kan kisel-kolpartiklar lätt lossna från kopparfolien under cykling på grund av deras stora volymförändringar, vilket leder till dålig cykelprestanda. För att förbättra batteriernas livslängd tillämpar denna studie kopparfolie belagd med ett ledande kolskikt för att driva batterier. Med hjälp av en staplingsprocess tillverkades 9,5 Ah påskraftceller med ternärt material som katod och kiseloxid-kolkomposit som anod. Effekterna av kol-belagd kopparfolie jämfört med vanlig dubbel-slät kopparfolie på cellernas hastighetskapacitet, hög/låg-temperaturprestanda och cykelprestanda undersöktes.

I våra experiment använde vi kol-belagd kopparfolie baserad på bar folie, belagd på båda sidor med ledande kol och hartsbindemedel. Detta tjänar till att förbättra konduktiviteten hos strömavtagaren, vilket säkerställer god kontaktmotstånd, samtidigt som det ökar vidhäftningen mellan det aktiva materialet och strömavtagaren, vilket förbättrar batteriets livslängd. SEM-bilder av den dubbel-släta kopparfolien, kol-belagda kopparfolien och elektrodskivor avslöjar att den dubbel-släta kopparfolieytan är platt. De ledande kolpartiklarna på ytan av den kol-belagda kopparfolien är likformigt fördelade, med en partikeldiameter på ungefär 15-20 nm, uppvisar en sfärisk-liknande struktur sammanfogad av hartsadhesiv. Ytan är lös och porös, vilket effektivt förbättrar vidhäftningen av det aktiva materialet till strömavtagaren. Dessutom ökas kontaktytan mellan det aktiva materialet och strömavtagaren, vilket hjälper till att minska kontaktresistansen hos elektrodskivan. Observationer av SiO-C-anodskivans yta och tvärsnittsstruktur visar enhetlig partikelfördelning, med partiklar som förblir intakta utan att spricka under en packningsdensitet på 1,6 g/cc.

Grundparametrarna för de negativa elektrodskivorna gjorda med olika kopparfolier indikerar att fläkhållfastheten hos plåten med kol-belagd kopparfolie är avsevärt ökad jämfört med den som använder dubbel-slät kopparfolie, samtidigt som resistiviteten hos elektrodskivan minskar. Detta visar att kolbeläggningsskiktet kan öka kontaktytan mellan det aktiva materialet och strömkollektorn, förbättra den elektroniska ledningsförmågan hos elektrodskivan och minska kontaktresistansen mellan det aktiva materialet och strömkollektorn. Dessutom fungerar kolskiktet som innehåller hartsbindemedlet som ett övergångsskikt, vilket stärker bindningen mellan det aktiva materialet och strömavtagaren.

Partiella elektrokemiska prestandadata för 9,5 Ah-påscellerna gjorda med olika kopparfolier, inklusive öppen-kretsspänning, inre växelströmsresistans, reversibel kapacitet, initial laddning-urladdningseffektivitet och specifikt kapacitetsutnyttjande av katoden, erhölls genom medelvärdesmätningar från 10 provpunkter. Jämförelse visar att den inre AC-resistansen hos cellen som använder kol-belagd kopparfolie är lägre än den för cellen som använder dubbel-slät kopparfolie. Detta beror främst på att elektrodskivan gjord med kol-belagd kopparfolie har lägre resistivitet, vilket minskar cellens totala kontaktmotstånd. Det specifika kapacitetsutnyttjandet av cellen som använder kol-belagd kopparfolie är något lägre (med 0,5 mAh/g) än för cellen som använder dubbel- slät kopparfolie. Detta kan bero på införandet av kolbeläggningen som leder till mindre litium-joninsättning, förbrukar en del litiumjoner och ökar cellens irreversibla kapacitet.

Urladdningskurvorna för påscellerna monterade med de två typerna av kopparfolie vid olika hastigheter vid rumstemperatur visar att när urladdningshastigheten ökar, minskar urladdningsplatån för båda celltyperna och urladdningskapaciteten minskar gradvis. En signifikant fallböjningspunkt uppträder när urladdningshastigheten når 4C. Detta beror främst på att litiumjoner, med ökningen av urladdningsströmmen, efter att ha frigjort elektroner inte omedelbart kan lämna anoden och diffundera in i elektrolyten, vilket skapar en betydande litium-jonkoncentrationsgradient. Detta ökar elektrodpotentialen som krävs för att litiumjoner ska återvända till katoden, vilket leder till ökat inre tryck i cellen och en åtföljande sänkning av urladdningsplatån. Genom att jämföra de tidigare nämnda hastighetsurladdningskurvorna och urladdningskapacitetens retentionshastigheter vid olika hastigheter, är urladdningsplatåerna för de två celltyperna väsentligen identiska med samma hastighet. Till låga priser (<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.

Cykelkurvorna för påscellerna sammansatta med de två typerna av kopparfolie under 1C/1C laddnings-urladdningsförhållanden vid rumstemperatur visar att efter 300 cykler är kapacitetsretentionsgraden 89,5 % för den kol-belagda kopparfoliecellen, jämfört med 84,2 % för den dubbelsidiga{{7} kopparfoliecellen. Cykelstabiliteten hos den kol-belagda kopparfoliecellen är avsevärt förbättrad jämfört med den dubbelsidiga-släta kopparfoliecellen. Denna fördel härrör från två huvudaspekter: för det första ökar det ledande kolskiktet belagt på kopparfoliens yta kontaktytan mellan det aktiva materialet och kopparfolien, och den porösa ytstrukturen ger fler kontaktplatser för det aktiva materialet, vilket förbättrar interaktionen med strömkollektorn; för det andra stärker närvaron av hartsbindemedlet i kolbeläggningen ytterligare vidhäftningen mellan det aktiva materialet och kopparfolien. Detta undertrycker avsevärt fenomenet med aktiv materialpulverisering i kisel-baserade anoder som orsakas av den stora expansionshastigheten av partiklar efter flera cykler, och förlänger därmed batteriets livslängd.

(1) Ökar fläkhållfastheten hos SiO-C-anodelektrodplattan samtidigt som dess resistivitet minskas.
(2) Förbättrar hög/låg-temperaturprestanda och hastighetskapacitet, men inte nämnvärt.
(3) Förbättrar effektivt cykelprestanda för kisel-baserade batterier. Jämfört med dubbel-slät kopparfolie är kapacitetsretentionsgraden efter 300 cykler vid 1C laddnings-/urladdningshastighet förbättrad med 5,2 %.

Referenser

China National Knowledge Infrastructure (CNKI)
Forskning och tillämpning av kolbelagd kopparfolie i kisel-baserat litium-jonbatteri
Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co., Ltd.
Shen Xiaohui

NÅ TILL VÅRT TEKNISKA TEAM

Du kan besöka vår produktlänkhttp://www/kol-belagd-folie/kol-belagd-koppar-folie/ledande-kol-belagd-koppar-folie.htmlför mer information