Konstruktion einer Lithium-Verbundanode ohne Volumenausdehnung zur Erzielung einer hohen Energiedichte und einer stabilen flexiblen Lithium-Metall-Batterie

Konstruktion einer Lithium-Verbundanode ohne Volumenausdehnung zur Erzielung einer hohen Energiedichte und einer stabilen flexiblen Lithium-Metall-Batterie

Autoreninformationen und Artikelzusammenfassung

Im Jahr 2022 arbeitete Deng Yonghongs Forschungsgruppe SUSTech mit dem Team von Professor Zheng Zijian von der Hong Kong Polytechnic University (Erstautor: Luo Chao, Doktorand der Southern University of Science and Technology) zusammen, um eine Rolle-zu-Rolle-Methode zu entwickeln Bereiten Sie eine Lithium-Verbundanode ohne Volumenausdehnung vor, die die Energiedichte von Lithiummetall und die biegsamen mechanischen Eigenschaften von Batterien erheblich verbessern kann. Die negative Elektrode hat eine Sandwichstruktur, bestehend aus einer elektronischen Isolierschicht auf der Oberseite, einer lithiophilen Schicht auf der Unterseite und einer porösen Schicht in der Mitte, die die Volumenausdehnung absorbiert. Die Autoren bestätigten außerdem die hervorragende Flexibilität und Energie der Lithium-Metall-Batterie, indem sie die positiven NCM- und LCO-Elektroden aufeinander abstimmten. Eigenschaften wie Dichte und Zyklenbeständigkeit.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Lithium-Interkalation einer Anode mit Nullvolumenausdehnung

Versuchsplan

1. Konstruieren Sie eine Lithium-Verbundanode und eine Lithium-Metall-Vollbatterie.

2. Strukturcharakterisierung: Morphologiecharakterisierung FE-SEM, chemische Oberflächenstruktur XPS, Quellverhalten SWE2100 (IEST).

3. Charakterisierung der elektrochemischen Leistung: Zyklusleistung von Abzug und Softpack.

4. Charakterisierung der mechanischen Leistung: Biegeleistung von Elektroden und Pouch-Zellen.

Ergebnisanalyse

Figur 2. Konstruktionsprinzip und Volumenausdehnungsverhalten der Li-Metallanode ohne Volumenausdehnung

Die Autoren stellten eine hohle Lithiummetall-Verbundanode her, indem sie einen elektronisch isolierenden porösen Film (EI-Film) in Kombination mit einer Cu-beschichteten Kohlenstofffasermatrix (CuCM) und einem ultradünnen LiMg-Legierungsblech durch einen Walzprozess verwendeten. Die Morphologie des Verbundmaterials wurde mittels REM und Elementkartierung beobachtet, was die erfolgreiche Herstellung der Sandwich-strukturierten Lithium-Verbundanode bestätigte. Um die Null-Volumenausdehnungseigenschaft des Verbundwerkstoffs zu beweisen, bauten die Autoren eine Li-zu-NCM811-Einschichtbatterie zusammen und verwendeten die In-situ-Expansionsdicken- und Expansionskrafttestmethoden, die eindeutig mit dem Null-VE-Li verglichen werden können Die Anode weist während des Lade-Entlade-Zyklus nahezu keine Dicke auf. Oder die Spannungsausdehnung, die den hervorragenden Widerstand des Verbundwerkstoffs gegen Ausdehnung demonstriert.

Abbildung 3. SEI- und Zyklenstabilitätsanalyse der Lithiummetallanode ohne Volumenausdehnung

Die Veränderung der Lithium-Metall-Grenzfläche, die durch die obere isolierende Funktionsschicht in der neuen Lithium-Metall-Anode hervorgerufen wurde, wurde durch XPS charakterisiert, was bewies, dass die SEI die anorganischen Schichten Li3N und LiF mit der besten Hemmwirkung auf Lithiumdendriten enthält. Und durch den Zusammenbau zweier Arten von Batterien, deren positive Elektroden jeweils NCM811 und LCO sind, kann deutlich verglichen werden, dass die Zelle die höchste Beibehaltungsrate der Zyklenkapazität aufweist, wenn nullVE-Li als negative Elektrode verwendet wird.

Abbildung 4. Elektrochemische und mechanische Stabilität von einschichtigen Lithium-Metall-Vollzellen

Durch dynamische Biege- und Widerstandstests stellte der Autor fest, dass sich der Widerstand und die Morphologie von ZeroVE Li nach 4000 Biegeversuchen nicht wesentlich veränderten und eine hervorragende Flexibilität zeigten. Die ZeroVE-Li-Elektrode wurde mit einer flexiblen positiven Elektrode mit hoher Oberflächenbeladung kombiniert, um eine flexible Batterie zusammenzustellen. Unter den Aspekten der Stabilität des elektrochemischen Zyklus und der mechanischen Stabilität zeigte die negative Elektrode mit Nullvolumenausdehnung eine hohe Coulomb-Effizienz, eine hohe Beibehaltungsrate der Zykluskapazität und eine gute Biegbarkeit.

Abbildung 5. Elektrochemische und mechanische Stabilität von mehrschichtigen Lithium-Metall-Vollzellen

Der Autor bereitet weiterhin eine doppelseitige Null-Volumenexpansionsanode vor und stellt fest, dass diese eine höhere massenspezifische Kapazität aufweist als kommerzielle Anodenmaterialien. Die zusammengebaute mehrschichtige flexible Lithium-Metall-Batterie weist eine hohe Gewichts- und Volumenenergiedichte auf und kann nach 3000 Biegetestzyklen immer noch eine Kapazitätserhaltung von 75 % aufrechterhalten. Durch den Vergleich der Energiedichtewerte flexibler Batterien auf Lithiumbasis in anderen relevanten Dokumenten weist die in dieser Arbeit entwickelte flexible Lithium-Metall-Vollbatterie auf Basis einer Lithium-Verbundanode mit Nullvolumenausdehnung eine sehr hohe Oberflächenenergiedichte (22,7 mWh cm-2) auf Praktische Volumenenergiedichte (375 Wh L-1, basierend auf dem Volumen der positiven und negativen Elektroden, Membranen und Verpackungsmaterialien) und ein rekordverdächtiger flexibler Qualitätsfaktor (FOM, 45,6).

Zusammenfassen

In dieser Arbeit wurde ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren zur Synthese einer Lithium-Verbundanode ohne Volumenquellung entwickelt, die eine hervorragende elektrochemische Leistung und mechanische Flexibilität aufweist und die Energiedichte von Lithium-Metall-Batterien erheblich verbessern kann. Die negative Elektrode hat eine Sandwichstruktur: Sie besteht aus einer elektronischen Isolierschicht auf der Oberseite, einer lithiphilen Schicht auf der Unterseite und einer porösen Schicht in der Mitte, die die Volumenausdehnung absorbiert. Durch die Abstimmung positiver NCM- und LCO-Elektroden verifizierte der Autor außerdem die hervorragende Flexibilität der entsprechenden flexiblen Lithium-Metall-Batterie sowie Eigenschaften wie Energiedichte und Zyklenerhaltung. Das Null-Volumen-Expansionsdesign bietet eine neue Idee für die praktische Anwendung von Lithium-Metall-Batterien. Das Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren zeigt auch sein Potenzial für die Großserienfertigung. Im Prinzip ist dieses Null-Volumen-Ausdehnungsdesign auch auf die Konstruktion anderer Metallbatterieanoden (z. B. Natrium-, Kalium- und Zinkmetallbatterien usw.) anwendbar, um die Energiedichte, die Zyklen und die strukturelle Stabilität zu verbessern.

Originaldokumente

Chao Luo, Hong Hu, Tian Zhang, Shujing Wen, Ruo Wang, Yanan An, Shang-Sen Chi, Jun Wang, Chaoyang Wang, Jian Chang*, Zijian Zheng* und Yonghong Deng*. Rolle-zu-Rolle-Herstellung von ZeRo-Volumenexpansions-Lithium-Verbundanoden zur Realisierung flexibler und stabiler Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte. Fortgeschrittene Werkstoffe,doi.org/10.1002/adma.202205677.

Empfehlung von Testgeräten im Zusammenhang mit IEST

In-situ-Schwellsystem (IEST) der SWE-Serie: Mithilfe einer äußerst stabilen und zuverlässigen Automatisierungsplattform, die mit hochpräzisen Dickenmesssensoren ausgestattet ist, kann es die Dickenänderung und Änderungsrate des gesamten Lade-Entladeprozesses des elektrischen Kerns messen kann folgende Funktionen erreichen:

1.Testen Sie die Dickenkurve der Batterieausdehnung unter konstantem Druck.

2.Testen Sie die Batterieausdehnungskraftkurve unter der Bedingung eines konstanten Abstands.

3. Batteriekompressionsleistungstest: Kompressionsmodul der Spannungs-Dehnungs-Kurve.d

4.Schritt-für-Schritt-Test der Batterieausdehnungskraft.

5. Unterschiedliche Temperaturregelung: - 20 ~ 80 ℃.