Bauen Sie eine volumenfreie Lithium-Verbundanode auf, um eine hohe Energiedichte zu erreichen
Literaturwürdigung: Bauen Sie eine Lithium-Verbundanode ohne Volumenquellung auf, um eine stabile, flexible Lithium-Metall-Batterie mit hoher Energiedichte zu erreichen
Autoreninformationen und Artikelzusammenfassung
Im Jahr 2022 arbeitete die Forschungsgruppe Deng Yonghong der Southern University of Science and Technology mit Professor Zheng Zijian von der Hong Kong Polytechnic University (Erstautor: Luo Chao, Doktorand der Southern University of Science and Technology) zusammen und entwickelte eine Rolle-zu-Rolle-Methode Bereiten Sie eine negative Elektrode aus expandiertem Lithium-Verbundwerkstoff mit Nullvolumen vor, die die Energiedichte und die flexiblen mechanischen Eigenschaften von Lithium-Metall-Batterien erheblich verbessern kann. Die negative Elektrode hat eine Sandwichstruktur: Bestehend aus der oberen elektronischen Isolationsschicht, der Lithium-Affinitätsschicht unten und der porösen Schicht in der Mitte. Der Autor verifizierte außerdem die hervorragende Flexibilität, Energiedichte und Zyklenerhaltungsrate der Lithium-Metall-Batterie durch die Abstimmung positiver NCM- und LCO-Elektroden.
Abbildung 1. Schematische Darstellung der Nullvolumen-Expansionsanode mit Lithiumeinbettung
Testprogramm
1. Bauen Sie eine Lithium-Verbundanode und eine Lithium-Metall-Vollbatterie.
2. Strukturelle Charakterisierung: Die morphologische Charakterisierung des FE-SEM, der chemischen Oberflächenstruktur, des XPS, und des Quellverhaltens, des SWE2100 (IEST).
3. Charakterisierung der elektrochemischen Leistung: Die Zyklusleistung der elektrischen Schnalle und des weichen Pakets.
4. Charakterisierung der mechanischen Leistung: Biegeleistung der Elektrode und der Beutelbatterie.
Interpretation des Ergebnisses
Abbildung 2. Konstruktionsprinzip und Volumenquellverhalten einer Lithiummetallanode mit NullvolumenSchwellung
Unter Verwendung eines elektronisch isolierenden porösen Films (EIfilm), der eine Cu-beschichtete Kohlenstofffasermatrix (Cu CM) und eine ultradünne Li-Mg-Legierungsplatte kombiniert, stellte der Autor eine hohle Lithiummetall-Verbundanode her. Die erfolgreiche Herstellung der Lithium-Verbundanode mit Sandwichstruktur wurde mithilfe des REM und des Elementkartierungsdiagramms bestätigt. Zur Demonstration des NullvolumensSchwellungUm die Eigenschaften dieses Verbundwerkstoffs zu verbessern, bauten die Autoren Li gegen das NCM zusammen811Die einschichtige Zelle mit der Testmethode In-situSchwellungDicke undSchwellungKraft, kann offensichtlich die kleine Dicke oder Spannung vergleichenSchwellungvon null VE-Li-Anode im Prozess des Lade- und Entladezyklus, was die hervorragende Qualität beweistSchwellungUnterdrückungsleistung des Verbundmaterials.
Abbildung 3. SEI- und Zyklenstabilitätsanalysediagramm der Lithiummetallanode mit NullvolumenSchwellung
Durch die XPS-Charakterisierung der Lithium-Metall-Grenzflächenveränderungen, die durch die Isolationsfunktionsschicht der oberen Schicht der neuen Lithium-Metall-Anode hervorgerufen werden, wurde bewiesen, dass SEI die anorganische Schicht Li mit der besten Hemmwirkung auf Lithiumdendriten enthält3N und das Li F. Und der Pluspol sind NCM811Im Vergleich zu den beiden Arten von LCO-Batterien weist die Batteriezelle mit null VE-Li als negativer Elektrode die höchste Beibehaltungsrate der Zyklenkapazität auf.
Abbildung 4. Elektrochemische und mechanische Stabilität einer einzelnen Schicht einer Lithium-Metall-Gesamtbatterie
Durch dynamische Biege- und Widerstandstests stellten die Autoren fest, dass Null-VE-Li nach 4.000 Biegeversuchen keine signifikanten Veränderungen im Widerstand und in der Morphologie aufwies und eine ausgezeichnete Flexibilität zeigte. Die Null-VE-Li-Elektrode wurde mit der flexiblen positiven Elektrode mit hoher Oberflächenbelastung kombiniert, um die flexiblen Batterien zusammenzubauen. Aus der Bewertung der Stabilität des elektrochemischen Zyklus und der mechanischen Stabilität ergibt sich das NullvolumenSchwellungDie negative Elektrode zeigte einen hohen Cullomb-Wirkungsgrad, eine hohe Beibehaltungsrate der Zyklenkapazität und gute flexible Eigenschaften.
Abbildung 5. Elektrochemische und mechanische Stabilität einer mehrschichtigen Lithium-Metall-Gesamtbatterie
Die Autoren stellten anschließend doppelseitige Nullvolumen-Expansionsanoden her und stellten fest, dass diese eine höhere massenspezifische Kapazität als kommerzielle Anodenmaterialien aufwiesen. Die zusammengebauten mehrschichtigen flexiblen Lithium-Metall-Batterien haben eine hohe Gewichts- und Volumenenergiedichte und können nach 3.000 Runden Biegeversuchen immer noch eine Kapazitätserhaltungsrate von 75 % aufrechterhalten. Durch den Vergleich der Energiedichtewerte flexibler Lithium-basierter Batterien in anderer verwandter Literatur weist die flexible Lithium-Metall-Gesamtbatterie, die auf der in dieser Arbeit entwickelten Lithium-Verbundanode ohne Volumenquellung basiert, eine extrem hohe Oberflächenenergiedichte (22,7 mWh cm) auf.-2), Praktische Volumenenergiedichte (375 W h L-1, Basierend auf dem Volumen der positiven und negativen Elektrode, des Diaphragmas und des Verpackungsmaterials) und einem rekordverdächtigen flexiblen Qualitätsfaktor (FOM, 45,6).
Zusammenfassen
In diesem Artikel wird eine volumenlos expandierte Lithium-Verbundanode entwickelt, die hervorragende elektrochemische Eigenschaften und mechanische Flexibilität aufweist und die Energiedichte von Lithium-Metall-Batterien erheblich verbessern kann. Die negative Elektrode hat eine Sandwichstruktur: Sie besteht aus der oberen elektronischen Isolationsschicht unten, der Lithium-Affinitätsschicht unten und der porösen Schicht in der Mitte.
Der Autor verifizierte außerdem die hervorragende Flexibilität, Energiedichte und Zyklenretentionsrate der entsprechenden flexiblen Lithium-Metall-Batterie durch die Abstimmung positiver NCM- und LCO-Elektroden. Das Null-Volumen-Erweiterungsdesign bietet neue Ideen für die praktische Anwendung von Lithium-Metall-Batterien. Das Volumen-zu-Volumen-Herstellungsverfahren zeigt auch sein Potenzial für die Großserienfertigung. Im Prinzip das NullvolumenSchwellungDas Design eignet sich auch für den Bau anderer negativer Metallbatterien (z. B. Natrium-, Kalium- und Zinkmetallbatterien), um die Energiedichte, die Zyklen und die strukturelle Stabilität zu verbessern.
Die Originalliteratur
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-Fertigung von Null -Volumenexpansionelle Lithium-Verbundanoden zur Realisierung flexibler und stabiler Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte. Advanced Materials, doi.org/10.1002/adma.202205677.
IEST Energy Technology-bezogene Testausrüstung empfohlen
In-situ-Schwellungsanalysesystem (IEST) der SWE-Serie: Verwendung einer äußerst stabilen und zuverlässigen Automatisierungsplattform, die mit einem hochpräzisen Dickenmesssensor ausgestattet ist, um den Dickenänderungsbetrag und die Änderungsrate des gesamten Lade- und Entladevorgangs der Zelle zu messen kann folgende Funktionen realisieren:
1. Konstanter Druckzustand zum Testen der Kurve der Batterieschwelldicke.
2. Testen Sie die Quellkraftkurve der Batterie unter der Bedingung eines konstanten Spalts.
3. Batterie-Kompressionsleistungstest: Spannungs- und Dehnungskurven-Kompressionsmodul.
4. Schritt-für-Schritt-Test der Batterieschwellkraft.
5. Unterschiedliche Temperaturregelung: -20~80℃.
