Construcción de un ánodo compuesto de litio con expansión de volumen cero para lograr una alta densidad de energía y una batería de metal de litio flexible y estable

Construcción de un ánodo compuesto de litio con expansión de volumen cero para lograr una alta densidad de energía y una batería de metal de litio flexible y estable

Información del autor y resumen del artículo

En 2022, el grupo de investigación SUSTech de Deng Yonghong cooperó con el equipo del profesor Zheng Zijian de la Universidad Politécnica de Hong Kong (primer autor: Luo Chao, estudiante de doctorado de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur) para desarrollar un método rollo a rollo para Prepare un ánodo compuesto de litio con expansión de volumen cero, que puede mejorar significativamente la densidad de energía del metal de litio y las propiedades mecánicas de flexibilidad de las baterías. El electrodo negativo tiene una estructura tipo sándwich, que incluye una capa aislante electrónica en la parte superior, una capa litiófila en la parte inferior y una capa porosa en el medio que absorbe la expansión del volumen. Los autores verificaron además la excelente flexibilidad y energía de la batería de metal de litio haciendo coincidir los electrodos positivos NCM y LCO. propiedades como densidad y retención del ciclo.

Figura 1. Diagrama esquemático de la intercalación de litio del ánodo de expansión de volumen cero.

Plan de prueba

1. Construya un ánodo compuesto de litio y una batería completa de metal de litio.

2. Caracterización estructural: caracterización morfológica FE-SEM, estructura química superficial XPS, comportamiento de hinchamiento SWE2100 (IEST).

3. Caracterización del desempeño electroquímico: desempeño del ciclo de deducción y paquete blando.

4. Caracterización del desempeño mecánico: comportamiento a flexión de electrodos y celdas de bolsa.

Análisis de resultados

Cifra 2. Principio de diseño y comportamiento de expansión de volumen del ánodo metálico de Li con expansión de volumen cero

Los autores prepararon un ánodo hueco de metal de litio compuesto utilizando una película porosa aislante electrónicamente (película EI) combinada con una matriz de fibra de carbono recubierta de Cu (CuCM) y una lámina ultrafina de aleación de LiMg mediante un proceso de laminación. La morfología del material compuesto se observó mediante SEM y mapeo de elementos, lo que confirmó la preparación exitosa del ánodo compuesto de litio con estructura tipo sándwich. Para probar la propiedad de expansión de volumen cero del compuesto, los autores ensamblaron una batería de una sola capa de Li-a-NCM811, utilizando los métodos de prueba de fuerza de expansión y espesor de expansión in situ, se puede comparar claramente que el zeroVE-Li El ánodo casi no tiene espesor durante el ciclo de carga-descarga. O la expansión por tensión, demostrando la excelente resistencia a la expansión del composite.

Figura 3. Análisis de estabilidad del ciclo y SEI del ánodo de metal de litio con expansión de volumen cero

El cambio de la interfaz de metal de litio provocado por la capa funcional aislante superior en el nuevo ánodo de metal de litio se caracterizó por XPS, lo que demostró que el SEI contiene las capas inorgánicas Li3N y LiF con el mejor efecto de inhibición sobre las dendritas de litio. Y al ensamblar dos tipos de baterías cuyos electrodos positivos son NCM811 y LCO respectivamente, se puede comparar claramente que la celda tiene la tasa de retención de capacidad de ciclo más alta cuando se utiliza zeroVE-Li como electrodo negativo.

Figura 4. Estabilidad electroquímica y mecánica de celdas completas de metal litio de una sola capa.

A través de pruebas dinámicas de resistencia y flexión, el autor descubrió que después de 4000 experimentos de flexión, la resistencia y la morfología del zeroVE Li no cambiaron significativamente, mostrando una excelente flexibilidad. El electrodo zeroVE Li se combinó con un electrodo positivo flexible con carga de superficie alta para ensamblar una batería flexible. Desde los aspectos de estabilidad del ciclo electroquímico y estabilidad mecánica, el electrodo negativo de expansión de volumen cero mostró una alta eficiencia de culombio, una alta tasa de retención de capacidad de ciclo y una buena flexibilidad.

Figura 5. Estabilidad electroquímica y mecánica de celdas completas de metal litio multicapa.

El autor continúa preparando un ánodo de expansión de volumen cero de doble cara y descubre que tiene una capacidad específica de masa mayor que los materiales de ánodo comerciales. La batería de metal de litio flexible multicapa ensamblada tiene una alta densidad de energía de peso y densidad de energía de volumen, y aún puede mantener una retención de capacidad del 75% después de 3000 ciclos de prueba de flexión. Al comparar los valores de densidad de energía de las baterías flexibles de litio en otros documentos relevantes, la batería completa de metal de litio flexible desarrollada en este trabajo basada en un ánodo compuesto de litio de expansión de volumen cero tiene una densidad de energía superficial muy alta (22,7 mWh cm-2), una densidad de energía de volumen práctica (375 Wh L-1, basada en el volumen de electrodos positivos y negativos, diafragmas y materiales de embalaje) y un factor de calidad flexible récord (FOM, 45,6).

Resumir

En este artículo, se desarrolló un método rollo a rollo para sintetizar un ánodo compuesto de litio con hinchamiento de volumen cero, que tiene un excelente rendimiento electroquímico y flexibilidad mecánica, y puede mejorar significativamente la densidad de energía de las baterías de metal litio. El electrodo negativo tiene una estructura tipo sándwich: incluye una capa aislante electrónica en la parte superior, una capa litiófila en la parte inferior y una capa porosa en el medio que absorbe la expansión del volumen. Al combinar los electrodos positivos NCM y LCO, el autor verificó además la excelente flexibilidad de la batería de metal de litio flexible correspondiente, propiedades como la densidad de energía y la retención de ciclos. El diseño de expansión de volumen cero proporciona una nueva idea para la aplicación práctica de baterías de metal litio. El proceso de fabricación rollo a rollo también muestra su potencial para la producción a gran escala. En principio, este diseño de expansión de volumen cero también es aplicable para construir otros ánodos de baterías metálicas (como baterías metálicas de sodio, potasio y zinc, etc.) para mejorar la densidad de energía, los ciclos y la estabilidad estructural.

Documentos originales

Chao Luo, Hong Hu, Tian Zhang, Shujing Wen, Ruo Wang, Yanan An, Shang-Sen Chi, Jun Wang, Chaoyang Wang, Jian Chang*, Zijian Zheng* y Yonghong Deng*. Fabricación rollo a rollo de ZeÁnodos compuestos de litio de expansión de volumen ro para crear baterías de metal de litio estables y flexibles de alta densidad de energía. Materiales avanzados,doi.org/10.1002/adma.202205677.

Recomendación de equipos de prueba relacionados con IEST

Sistema de hinchamiento in situ (IEST) de la serie SWE: utilizando una plataforma de automatización altamente estable y confiable, equipada con sensores de medición de espesor de alta precisión, puede medir el cambio de espesor y la tasa de cambio de todo el proceso de descarga de carga del núcleo eléctrico, y puede lograr las siguientes funciones:

1. Pruebe la curva de espesor de expansión de la batería bajo presión constante.

2. Pruebe la curva de fuerza de expansión de la batería bajo la condición de espacio constante.

3.Prueba de rendimiento de compresión de la batería: módulo de compresión de la curva tensión-deformación.d

4.Prueba paso a paso de la fuerza de expansión de la batería.

5.Control de temperatura diferente: - 20 ~ 80 ℃.