Xây dựng độ phồng khối lượng bằng không của cực dương composite lithium để đạt được mật độ năng lượng cao
Đánh giá cao tài liệu: Xây dựng cực dương tổng hợp lithium không bị phồng lên để đạt được pin kim loại lithium linh hoạt ổn định mật độ năng lượng cao
Thông tin tác giả và tóm tắt bài viết
Vào năm 2022, nhóm nghiên cứu Deng Yonghong của Đại học Khoa học và Công nghệ Phương Nam đã hợp tác với 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 Phương Nam) và phát triển phương pháp lăn tới lăn để chuẩn bị điện cực âm hỗn hợp lithium mở rộng thể tích bằng không, có thể cải thiện đáng kể mật độ năng lượng và tính chất cơ học linh hoạt của pin kim loại lithium. Điện cực âm có cấu trúc bánh sandwich: Bao gồm lớp cách điện điện tử phía trên, lớp ái lực lithium ở phía dưới và lớp xốp ở giữa. Tác giả đã xác minh thêm tính linh hoạt tuyệt vời, mật độ năng lượng và tốc độ duy trì chu kỳ của pin kim loại lithium bằng cách kết hợp các điện cực dương NCM và LCO.
Hình 1. Sơ đồ của cực dương mở rộng thể tích bằng 0 với nhúng lithium
Chương trình thử nghiệm
1. Xây dựng cực dương tổng hợp lithium và pin đầy kim loại lithium.
2. Đặc tính cấu trúc: Đặc tính hình thái của FE-SEM, cấu trúc hóa học bề mặt, XPS và hành vi trương nở, SWE2100 (IEST).
3. Đặc tính hiệu suất điện hóa: Hiệu suất chu kỳ của khóa điện và gói mềm.
4. Đặc tính hiệu suất cơ học: Hiệu suất uốn của điện cực và pin túi.
Giải thích kết quả
Hình 2. Nguyên lý thiết kế và trạng thái trương nở thể tích của cực dương kim loại lithium với thể tích bằng khôngsưng tấy
Sử dụng màng xốp cách điện điện tử (EIfilm), kết hợp ma trận sợi carbon phủ Cu (Cu CM) và tấm hợp kim Li Mg siêu mỏng, tác giả đã chế tạo một cực dương kim loại lithium composite rỗng. Việc chuẩn bị thành công cực dương hỗn hợp lithium cấu trúc bánh sandwich đã được xác nhận bằng cách sử dụng SEM và sơ đồ ánh xạ phần tử. Để chứng minh khối lượng bằng khôngsưng tấythuộc tính của hỗn hợp này, các tác giả đã tập hợp Li chống lại NCM811Tế bào một lớp, sử dụng phương pháp kiểm tra tại chỗsưng tấyđộ dày vàsưng tấylực, rõ ràng có thể so sánh độ dày hoặc ứng suất nhỏsưng tấycủa cực dương VE-Li bằng 0 trong quá trình sạc và chu kỳ xả, điều này chứng tỏ sự tuyệt vờisưng tấyhiệu suất triệt tiêu của vật liệu composite.
Hình 3. Sơ đồ phân tích độ ổn định chu kỳ và SEI của cực dương kim loại lithium với thể tích bằng khôngsưng tấy
Bằng cách XPS mô tả các thay đổi giao diện kim loại lithium do lớp chức năng cách điện lớp trên của cực dương kim loại lithium mới mang lại, người ta đã chứng minh rằng SEI chứa lớp vô cơ Li có tác dụng ức chế tốt nhất đối với dendrite lithium3N, và Li F. Và cực dương là NCM811So với hai loại pin LCO, tế bào pin có tỷ lệ duy trì dung lượng chu kỳ cao nhất với VE-Li bằng 0 làm điện cực âm.
Hình 4. Ổn định điện hóa và cơ học của toàn bộ pin một lớp kim loại lithium
Thông qua thử nghiệm độ bền uốn và độ bền động, các tác giả nhận thấy rằng zero VE-Li không có thay đổi đáng kể nào về độ bền và hình thái sau 4.000 thí nghiệm uốn, cho thấy tính linh hoạt tuyệt vời. Điện cực VE-Li bằng không được ghép với điện cực dương linh hoạt chịu tải trọng bề mặt cao để lắp ráp pin linh hoạt. Từ việc đánh giá độ ổn định chu trình điện hóa và độ ổn định cơ học, khối lượng khôngsưng tấyđiện cực âm cho thấy hiệu suất Cullomb cao, tỷ lệ duy trì công suất chu kỳ cao và các đặc tính linh hoạt tốt.
Hình 5. Ổn định điện hóa và cơ học của toàn bộ pin kim loại lithium nhiều lớp
Các tác giả đã tiếp tục chuẩn bị anode giãn nở thể tích bằng không hai mặt và nhận thấy chúng có công suất khối lượng riêng cao hơn vật liệu anode thương mại. Pin lithium-metal linh hoạt nhiều lớp được lắp ráp có mật độ năng lượng trọng lượng và mật độ năng lượng thể tích cao, đồng thời vẫn có thể duy trì tỷ lệ duy trì dung lượng 75% sau 3.000 vòng thí nghiệm uốn. Bằng cách so sánh các giá trị mật độ năng lượng của pin dựa trên lithium linh hoạt trong các tài liệu liên quan khác, toàn bộ pin kim loại lithium linh hoạt dựa trên cực dương hỗn hợp lithium sưng thể tích bằng 0 được phát triển trong nghiên cứu này có mật độ năng lượng bề mặt cực cao (22,7 mWh cm )-2), Mật độ năng lượng thể tích thực tế (375 W h L-1, Dựa trên thể tích của điện cực dương và âm, màng ngăn và vật liệu đóng gói) và hệ số chất lượng linh hoạt xác lập kỷ lục (FOM, 45.6).
Tổng hợp
Bài báo này phát triển một cực dương hỗn hợp lithium có thể tích mở rộng bằng không, có đặc tính 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: Bao gồm lớp cách điện điện tử phía trên ở phía dưới, lớp ái lực lithium ở phía dưới và lớp xốp ở giữa.
Tác giả đã xác minh thêm tính linh hoạt tuyệt vời, mật độ năng lượng và tốc độ duy trì chu kỳ của pin kim loại lithium linh hoạt tương ứng bằng cách kết hợp các điện cực dương NCM và LCO. Thiết kế mở rộng thể tích bằng 0 cung cấp những ý tưởng mới cho ứng dụng thực tế của pin kim loại lithium. Quy trình sản xuất theo số lượng lớn cũng cho thấy tiềm năng sản xuất quy mô lớn của nó. Về nguyên tắc, khối lượng bằng khôngsưng tấythiết kế cũng phù hợp để chế tạo các loại pin kim loại âm khác (chẳng hạn như pin kim loại natri, kali và kẽm) để cải thiện mật độ năng lượng, chu kỳ và độ ổn định cấu trúc.
văn học 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*. -Các cực dương hỗn hợp lithium mở rộng thể tích để tạo ra pin kim loại lithium linh hoạt và ổn định có mật độ năng lượng cao. Vật liệu tiên tiến, doi.org/10.1002/adma.202205677.
Thiết bị kiểm tra liên quan đến công nghệ năng lượng IEST được đề xuất
Hệ thống phân tích sưng 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, để đo lượng thay đổi độ dày và tốc độ thay đổi của toàn bộ quá trình sạc và xả của tế bào, trong đó có thể nhận ra các chức năng sau:
1. Điều kiện áp suất không đổi để kiểm tra đường cong độ dày phồng của pin.
2. Kiểm tra đường cong lực phồng của pin trong điều kiện khe hở không đổi.
3. Kiểm tra hiệu suất nén của pin: mô đun nén đường cong ứng suất và biến dạng.
4. Kiểm tra lực phồng pin từng bước.
5. Kiểm soát nhiệt độ khác nhau: -20~80℃.
