Construya un hinchamiento de volumen cero del ánodo compuesto de litio para lograr una alta densidad de energía
Apreciación de la literatura: construya un hinchamiento de volumen cero del ánodo compuesto de litio para lograr una batería de metal de litio flexible y estable de alta densidad de energía
Información del autor y resumen del artículo
En 2022, el grupo de investigación Deng Yonghong de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur cooperó con el 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) y desarrolló un método de rodillo a rodillo para Prepare un electrodo negativo compuesto de litio expandido de volumen cero, que puede mejorar significativamente la densidad de energía y las propiedades mecánicas flexibles de las baterías de metal de litio. El electrodo negativo tiene una estructura de sándwich: incluye la capa de aislamiento electrónico superior, la capa de afinidad de litio en la parte inferior y la capa porosa en el medio. El autor verificó además la excelente flexibilidad, densidad de energía y tasa de retención de ciclo de la batería de metal de litio al hacer coincidir los electrodos positivos NCM y LCO.
Figura 1. Diagrama esquemático del ánodo de expansión de volumen cero con inclusión de litio
Programa de prueba
1. Construya un ánodo compuesto de litio y una batería completa de metal de litio.
2. Caracterización estructural: La caracterización morfológica del FE-SEM, la estructura química superficial, el XPS, y el comportamiento de hinchamiento, el SWE2100 (IEST).
3. Caracterización del rendimiento electroquímico: el rendimiento del ciclo de la hebilla eléctrica y el paquete blando.
4. Caracterización del rendimiento mecánico: rendimiento de flexión del electrodo y la batería de la bolsa.
Interpretación del resultado
Figura 2. Principio de diseño y comportamiento de expansión de volumen del ánodo de metal de litio con volumen cerohinchazón
Usando una película porosa aislante electrónica (EIfilm), combinando una matriz de fibra de carbono recubierta de Cu (Cu CM) y una lámina de aleación de Li Mg ultrafina, el autor preparó un ánodo de metal de litio compuesto hueco. La preparación exitosa del ánodo compuesto de litio de estructura sándwich se confirmó mediante el SEM y el diagrama de mapeo de elementos. Para demostrar el volumen cerohinchazónpropiedades de este compuesto, los autores ensamblaron Li contra el NCM811La celda de una sola capa, utilizando el método de prueba de in-situhinchazónespesor yhinchazónfuerza, obviamente puede comparar el poco espesor o tensiónhinchazónde cero VE-Li ánodo en el proceso de ciclo de carga y descarga, lo que demuestra la excelentehinchazónrendimiento de supresión del material compuesto.
Figura 3. Diagrama de análisis de SEI y estabilidad de ciclo del ánodo de metal litio con volumen cerohinchazón
Al caracterizar XPS los cambios en la interfaz de metal de litio provocados por la capa funcional de aislamiento de la capa superior del nuevo ánodo de metal de litio, se demuestra que SEI contiene la capa inorgánica Li con el mejor efecto inhibitorio sobre la dendrita de litio.3N, y el Li F. Y el polo positivo son NCM811En comparación con los dos tipos de baterías LCO, la celda de la batería tiene la tasa de retención de capacidad de ciclo más alta con cero VE-Li como electrodo negativo.
Figura 4. Estabilidad electroquímica y mecánica de una sola capa de batería completa de metal de litio
A través de pruebas dinámicas de flexión y resistencia, los autores encontraron que cero VE-Li no mostró cambios significativos en la resistencia y la morfología después de 4000 experimentos de flexión, mostrando una excelente flexibilidad. El electrodo de cero VE-Li se combinó con el electrodo positivo flexible de alta carga superficial para ensamblar las baterías flexibles. A partir de la evaluación de la estabilidad del ciclo electroquímico y la estabilidad mecánica, el volumen cerohinchazónEl electrodo negativo mostró alta eficiencia de Cullomb, alta tasa de retención de capacidad de ciclo y buenas características flexibles.
Figura 5. Estabilidad electroquímica y mecánica de una batería completa de metal de litio multicapa
Los autores procedieron a preparar ánodos de expansión de volumen cero de doble cara y descubrieron que tenían una capacidad específica de masa más alta que los materiales de ánodos comerciales. Las baterías de metal de litio flexibles multicapa ensambladas tienen una alta densidad de energía de peso y densidad de energía de volumen, y aún pueden mantener una tasa de retención de capacidad del 75% después de 3000 vueltas de experimentos de flexión. Al comparar los valores de densidad de energía de las baterías flexibles a base de litio en otra literatura relacionada, la batería completa de metal de litio flexible basada en el ánodo compuesto de litio de expansión de volumen cero desarrollado en este trabajo tiene una densidad de energía superficial extremadamente alta (22,7 mWh·cm)-2), Densidad de energía volumétrica práctica (375 W h L-1, basado en el volumen del electrodo positivo y negativo, el diafragma y el material de empaque) y un factor de calidad flexible sin precedentes (FOM, 45.6).
Resumir
Este documento desarrolla un ánodo compuesto de litio expandido de volumen cero, que tiene excelentes propiedades electroquímicas y flexibilidad mecánica, y puede mejorar significativamente la densidad de energía de las baterías de metal de litio. El electrodo negativo tiene una estructura de sándwich: incluye la capa de aislamiento electrónico superior en la parte inferior, la capa de afinidad de litio en la parte inferior y la capa porosa en el medio.
El autor verificó además la excelente flexibilidad, densidad de energía y tasa de retención del ciclo de la batería de metal de litio flexible correspondiente al hacer coincidir los electrodos positivos NCM y LCO. El diseño de expansión de volumen cero proporciona nuevas ideas para la aplicación práctica de las baterías de metal de litio. El proceso de fabricación volumen a volumen también muestra su potencial para la producción a gran escala. En principio, el volumen cerohinchazónEl diseño también es adecuado para construir otras baterías de metal negativo (como baterías de metal de sodio, potasio y zinc) para mejorar la densidad de energía, el ciclo y la estabilidad estructural.
la literatura original
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*. -Ánodos compuestos de litio de expansión de volumen para fabricar baterías de metal de litio estables y flexibles de alta densidad de energía Materiales avanzados, doi.org/10.1002/adma.202205677.
Equipo de prueba relacionado con la tecnología energética IEST recomendado
Sistema de análisis de hinchazón in situ (IEST) de la serie SWE: utiliza una plataforma de automatización altamente estable y confiable, equipada con un sensor de medición de espesor de alta precisión, para medir la cantidad de cambio de espesor y la tasa de cambio de todo el proceso de carga y descarga de la celda, que puede realizar las siguientes funciones:
1. Condición de presión constante para probar la curva de espesor de expansión de la batería.
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-curva de esfuerzo y deformación.
4. Prueba paso a paso de la fuerza de hinchamiento de la batería.
5. Control de temperatura diferente: -20~80℃.
