Cấu tạo của cực dương tổng hợp lithium mở rộng thể tích bằng không để đạt được mật độ năng lượng cao và pin kim loại lithium linh hoạt ổn định

Cấu tạo của cực dương tổng hợp lithium mở rộng thể tích bằng không để đạt được mật độ năng lượng cao và pin kim loại lithium linh hoạt ổn định

Thông tin tác giả và tóm tắt bài viết

Năm 2022, nhóm nghiên cứu SUSTech của Đặng Yonghong đã hợp tác với nhóm của Giáo sư Zheng Zijian của Đại học Bách khoa Hồng Kông (tác giả đầu tiên: Luo Chao, nghiên cứu sinh tiến sĩ của Đại học Khoa học và Công nghệ miền Nam) để phát triển phương pháp cuộn để cuộn chuẩn bị một cực dương tổng hợp lithium với độ giãn nở thể tích bằng 0, có thể cải thiện đáng kể mật độ năng lượng của kim loại lithium và các đặc tính cơ học có thể uốn cong của pin. Điện cực âm có cấu trúc bánh sandwich, bao gồm lớp cách điện điện tử ở phía trên, lớp litiophilic ở phía dưới và lớp xốp ở giữa có tác dụng hấp thụ sự giãn nở thể tích. Các tác giả đã xác minh thêm tính linh hoạt và năng lượng tuyệt vời của pin kim loại lithium bằng cách kết hợp các điện cực dương NCM và LCO. các đặc tính như mật độ và khả năng duy trì chu kỳ.

Hình 1. Sơ đồ xen kẽ lithium của cực dương giãn nở thể tích bằng 0

Kế hoạch kiểm tra

1. Cấu tạo cực dương tổng hợp lithium và pin đầy kim loại lithium.

2. Đặc điểm cấu trúc: đặc điểm hình thái FE-SEM, cấu trúc hóa học bề mặt XPS, đặc tính trương nở SWE2100 (IEST).

3. Đặc tính hiệu suất điện hóa: hiệu suất chu trình khấu trừ và gói mềm.

4. Đặc tính hiệu suất cơ học: hiệu suất uốn của điện cực và tế bào túi.

Phân tích kết quả

Nhân vật 2. Nguyên lý thiết kế và đặc tính giãn nở thể tích của cực dương kim loại Li có độ giãn nở thể tích bằng 0

Các tác giả đã chế tạo cực dương kim loại lithium composite rỗng bằng cách sử dụng màng xốp cách điện điện tử (phim EI) kết hợp với ma trận sợi carbon phủ Cu (CuCM) và tấm hợp kim LiMg siêu mỏng thông qua quá trình cán. Hình thái của vật liệu composite được quan sát bằng SEM và ánh xạ phần tử, điều này khẳng định việc chế tạo thành công cực dương hỗn hợp lithium có cấu trúc bánh sandwich. Để chứng minh đặc tính giãn nở thể tích bằng 0 của hỗn hợp, các tác giả đã lắp ráp pin một lớp Li-to-NCM811, sử dụng phương pháp kiểm tra độ dày giãn nở tại chỗ và lực giãn nở, có thể so sánh rõ ràng rằng zeroVE-Li cực dương hầu như không có độ dày trong chu kỳ phóng điện. Hoặc sự giãn nở của ứng suất, thể hiện khả năng chống giãn nở tuyệt vời của composite.

Hình 3. Phân tích độ ổn định chu kỳ và SEI của cực dương kim loại lithium với độ giãn nở thể tích bằng 0

Sự thay đổi giao diện kim loại lithium do lớp chức năng cách điện phía trên trong cực dương kim loại lithium mới mang lại được đặc trưng bởi XPS, điều này chứng tỏ rằng SEI chứa các lớp vô cơ Li3N và LiF có tác dụng ức chế tốt nhất đối với đuôi gai lithium. Và bằng cách lắp ráp hai loại pin có điện cực dương lần lượt là NCM811 và LCO, có thể so sánh rõ ràng rằng tế bào có tốc độ duy trì dung lượng chu kỳ cao nhất khi sử dụng zeroVE-Li làm điện cực âm.

Hình 4. Độ ổn định điện hóa và cơ học của pin đầy kim loại lithium một lớp

Thông qua thử nghiệm uốn và kháng động, tác giả nhận thấy sau 4000 thí nghiệm uốn, điện trở và hình thái của zeroVE Li không thay đổi đáng kể, cho thấy tính linh hoạt tuyệt vời. Điện cực zeroVE Li được kết hợp với điện cực dương linh hoạt có bề mặt cao để lắp ráp pin linh hoạt. Từ các khía cạnh của độ ổn định chu trình điện hóa và độ ổn định cơ học, điện cực âm giãn nở thể tích bằng 0 cho thấy hiệu suất Coulomb cao, tốc độ duy trì công suất chu kỳ cao và khả năng uốn cong tốt.

Hình 5. Độ ổn định điện hóa và cơ học của pin đầy kim loại lithium nhiều lớp

Tác giả tiếp tục chế tạo anode giãn nở thể tích bằng không hai mặt và nhận thấy nó có dung lượng riêng khối lượng cao hơn vật liệu anode thương mại. Pin kim loại lithium linh hoạt nhiều lớp được lắp ráp có mật độ năng lượng trọng lượng và mật độ năng lượng thể tích cao và vẫn có thể duy trì công suất 75% sau 3000 chu kỳ thử nghiệm uốn. Bằng cách so sánh các giá trị mật độ năng lượng của pin lithium linh hoạt trong các tài liệu liên quan khác, pin lithium kim loại linh hoạt được phát triển trong nghiên cứu này dựa trên cực dương tổng hợp lithium giãn nở thể tích bằng 0 có mật độ năng lượng bề mặt rất cao (22,7 mWh cm-2), a mật độ năng lượng thể tích thực tế (375 Wh L-1, dựa trên thể tích của điện cực dương và âm, màng chắn và vật liệu đóng gói) và hệ số chất lượng linh hoạt kỷ lục (FOM, 45.6).

Tóm tắt

Trong bài báo này, phương pháp cuộn để cuộn đã được phát triển để tổng hợp cực dương tổng hợp lithium với độ phồng thể tích bằng 0, có hiệu suất điện hóa tuyệt vời và tính linh hoạt cơ học, đồng thời có thể cải thiện đáng kể mật độ năng lượng của pin kim loại lithium. Điện cực âm có cấu trúc bánh sandwich: nó bao gồm một lớp cách điện điện tử ở phía trên, một lớp litiophilic ở phía dưới và một lớp xốp ở giữa có tác dụng hấp thụ sự giãn nở thể tích. Bằng cách kết hợp các điện cực dương NCM và LCO, tác giả đã xác minh thêm tính linh hoạt tuyệt vời của pin kim loại lithium linh hoạt tương ứng, các đặc tính như mật độ năng lượng và khả năng duy trì chu kỳ. Thiết kế mở rộng thể tích bằng 0 mang lại ý tưởng mới cho ứng dụng thực tế của pin kim loại lithium. Quy trình sản xuất dạng cuộn cũng cho thấy tiềm năng sản xuất quy mô lớn. Về nguyên tắc, thiết kế mở rộng thể tích bằng 0 này cũng có thể được áp dụng để chế tạo các cực dương của pin kim loại khác (chẳng hạn như pin kim loại natri, kali và kẽm, v.v.) để cải thiện mật độ năng lượng, chu kỳ và độ ổn định cấu trúc.

Tài liệu gốc

Chao Luo, Hong Hu, Tian Zhang, Shujing Wen, Ruo Wang, Yanan An, Shang-Sen Chi, Jun Wang, Chaoyang Wang, Jian Chang*, Zijian Zheng* và Yonghong Deng*. Chế tạo cuộn để cuộn của ZeCực dương tổng hợp lithium mở rộng thể tích ro-để hiện thực hóa pin kim loại lithium linh hoạt và ổn định với mật độ năng lượng cao. Vật liệu tiên tiến,doi.org/10.1002/adma.202205677.

Khuyến nghị về thiết bị kiểm tra liên quan đến IEST

Hệ thống trương nở tại chỗ dòng SWE (IEST): sử dụng nền tảng tự động hóa có độ ổn định cao và đáng tin cậy, được trang bị cảm biến đo độ dày có độ chính xác cao, có thể đo sự thay đổi độ dày và tốc độ thay đổi của toàn bộ quá trình phóng điện của lõi điện, và có thể đạt được các chức năng sau:

1.Kiểm tra đường cong độ dày giãn nở của pin dưới áp suất không đổi.

2. Kiểm tra đường cong lực giãn nở của pin trong điều kiện khe hở không đổi.

3. Kiểm tra hiệu suất nén pin: mô đun nén đường cong căng thẳng.d

4. Kiểm tra từng bước lực giãn nở của pin.

5. Kiểm soát nhiệt độ khác nhau: - 20 ~ 80oC.