Применение медной фольги с углеродным-покрытием, используемой в литий-ионных батареях

С быстрым развитием сектора транспортных средств на новых источниках энергии растет спрос на литий-ионные аккумуляторные батареи с более высокой плотностью энергии. Повышение удельной энергии аккумуляторов не только увеличивает запас хода электромобилей, но также может значительно облегчить текущую проблему высоких затрат. Поскольку плотность энергии литий-ионных-батарей продолжает расти, комбинация высоко-никелевых катодов с кремниевыми-углеродными анодами стала стандартной конфигурацией для разработки литий-ионных- аккумуляторов следующего-поколения с высокой-энергетической{8}}плотностью. Однако кремний претерпевает значительные изменения объема во время циклов зарядки и разрядки, что приводит к распылению частиц активного материала, потере точек контакта с проводящими агентами и даже отсоединению от токосъемника. Это приводит к быстрому снижению емкости и сокращению срока службы кремниевых-углеродных анодов, что затрудняет их применение в литий-ионных батареях.

Разработка кремниевых-углеродных анодных материалов уже давно находится в центре внимания исследований литий-ионных аккумуляторов, в первую очередь направленных на оптимизацию и модификацию самого материала. Сюда входит оптимизация размера частиц и структуры кремниевого материала, а также структуры и методов кремний-углеродного композитинга. Для достижения практического применения кремний-углеродных анодных материалов оптимизация процессов проектирования и производства электродов и даже батарей привлекает все большее внимание и исследования. Примеры включают оптимизацию проводящих агентов, связующих, используемых в суспензионном процессе, поверхностной плотности покрытия, плотности уплотнения, состава электролита и процессов формирования.

Являясь важнейшим компонентом электрода, медная фольга поддерживает активный материал отрицательного электрода, собирая генерируемые электроны и проводя их во внешнюю цепь для формирования тока. Если адгезия между активным материалом и медной фольгой недостаточна, частицы кремния-углерода могут легко отделиться от медной фольги во время циклирования из-за больших изменений их объема, что приводит к ухудшению производительности цикла. Чтобы увеличить срок службы батарей, в этом исследовании для питания батарей применяется медная фольга, покрытая проводящим углеродным слоем. С помощью процесса штабелирования были изготовлены пакетные силовые элементы емкостью 9,5 Ач с тройным материалом в качестве катода и композитом оксида кремния-углерода в качестве анода. Было исследовано влияние медной фольги с углеродным-покрытием по сравнению с обычной двусторонней-гладкой медной фольгой на скоростные характеристики, характеристики при высоких/низких-температурах и циклическую производительность элементов.

В наших экспериментах мы использовали медную фольгу с углеродным-покрытием на основе голой фольги, покрытой с обеих сторон проводящим углеродом и связующим из смолы. Это служит для повышения проводимости токосъемника, обеспечивая хорошее контактное сопротивление и одновременно увеличивая адгезию между активным материалом и токосъёмником, тем самым увеличивая срок службы батареи. СЭМ-изображения двусторонней-гладкой медной фольги, медной фольги с-углеродным покрытием и листов электродов показывают, что двусторонняя-гладкая медная фольга является плоской. Частицы проводящего углерода на поверхности медной фольги с углеродным-покрытием распределены равномерно, их диаметр составляет приблизительно 15-20 нм, и они имеют сферическую-подобную структуру, склеенную между собой смоляным клеем. Поверхность рыхлая и пористая, что эффективно улучшает адгезию активного материала к токосъемнику. Дополнительно увеличивается площадь контакта между активным материалом и токосъемником, что способствует снижению контактного сопротивления листа электрода. Наблюдения за структурой поверхности и поперечного сечения анодного листа SiO-C показывают равномерное распределение частиц, при этом частицы остаются неповрежденными и не разрушаются при плотности уплотнения 1,6 г/см3.

Основные параметры листов отрицательных электродов, изготовленных с использованием различных медных фольг, показывают, что прочность на отслаивание листа с использованием медной фольги с углеродным-покрытием значительно увеличивается по сравнению с листом, использующим двустороннюю гладкую медную фольгу, при этом удельное сопротивление листа электрода снижается. Это демонстрирует, что слой углеродного покрытия может увеличить площадь контакта между активным материалом и токосъемником, улучшить электронную проводимость электродного листа и снизить контактное сопротивление между активным материалом и токосъёмником. Кроме того, углеродный слой, содержащий связующую смолу, действует как переходный слой, усиливая связь между активным материалом и токосъемником.

Частичные данные об электрохимических характеристиках пакетных элементов емкостью 9,5 Ач, изготовленных из различной медной фольги, включая напряжение разомкнутой цепи-, внутреннее сопротивление переменного тока, обратимую емкость, эффективность начального заряда-разряда и удельную эффективность использования емкости катода, были получены путем усреднения измерений в 10 точках выборки. Сравнение показывает, что внутреннее сопротивление переменному току элемента, использующего медную фольгу с углеродным-покрытием, ниже, чем у элемента, использующего двустороннюю гладкую медную фольгу-. Это происходит главным образом потому, что электродный лист, изготовленный из медной фольги с углеродным-покрытием, имеет более низкое удельное сопротивление, тем самым уменьшая общее контактное сопротивление элемента. Удельное использование емкости элемента, использующего медную фольгу с углеродным-покрытием, немного ниже (на 0,5 мАч/г), чем у элемента, использующего двухстороннюю гладкую медную фольгу. Это может быть связано с введением углеродного покрытия, которое приводит к незначительной интеркаляции ионов лития, поглощая часть ионов лития и увеличивая необратимую емкость элемента.

Кривые разряда пакетных ячеек, собранных из медной фольги двух типов с разной скоростью при комнатной температуре, показывают, что по мере увеличения скорости разряда плато разряда обоих типов ячеек уменьшается, а разрядная емкость постепенно уменьшается. Значительная точка перегиба капли появляется, когда скорость разряда достигает 4С. Это происходит главным образом потому, что с увеличением тока разряда ионы лития после высвобождения электронов не могут быстро покинуть анод и диффундировать в электролит, создавая существенный градиент концентрации ионов лития. Это увеличивает электродный потенциал, необходимый для возвращения ионов лития на катод, что приводит к увеличению внутреннего давления в элементе и, как следствие, к снижению плато разряда. Сравнивая вышеупомянутые кривые скорости разряда и скорости сохранения разрядной емкости при разных скоростях, видно, что плато разряда двух типов ячеек по существу идентичны при одной и той же скорости. По низким ценам(<3C), the discharge capacity retention rates of the two cell types largely overlap. When the discharge rate increases to 4C and 5C, the discharge capacity retention rate of the carbon-coated copper foil cell is slightly higher than that of the double-sided smooth copper foil cell. This is primarily related to the carbon coating enhancing the conductivity of the cell and reducing contact resistance.

Кривые цикла аккумуляторов, собранных с двумя типами медной фольги, в условиях заряда 1C/1C-разряда при комнатной температуре показывают, что после 300 циклов степень сохранения емкости составляет 89,5 % для элемента из медной фольги с углеродным-покрытием по сравнению с 84,2 % для элемента из двух-гладкой медной фольги. Циклическая стабильность элемента из медной фольги с углеродным-покрытием значительно улучшена по сравнению с элементом из двусторонней-гладкой медной фольги. Это преимущество обусловлено двумя основными аспектами: во-первых, проводящий углеродный слой, нанесенный на поверхность медной фольги, увеличивает площадь контакта между активным материалом и медной фольгой, а пористая структура поверхности обеспечивает больше мест контакта для активного материала, улучшая взаимодействие с токосъемником; во-вторых, наличие смоляного связующего в углеродном покрытии еще больше усиливает адгезию между активным материалом и медной фольгой. Это значительно подавляет явление распыления активного материала в анодах на основе кремния, вызванное большой скоростью расширения частиц после нескольких циклов, тем самым эффективно продлевая срок службы батареи.

(1) Увеличивает прочность на отслаивание листа анодного электрода SiO-C при одновременном снижении его удельного сопротивления.
(2) Улучшает производительность при высоких/низких-температурах и производительность, но незначительно.
(3) Эффективно увеличивает циклическую эффективность батарей на основе кремния-. По сравнению с двусторонней-гладкой медной фольгой степень сохранения емкости после 300 циклов зарядки/разрядки при скорости зарядки/разряда 1C улучшается на 5,2%.

Ссылки

Национальная инфраструктура знаний Китая (CNKI)
Исследование и применение медной фольги с углеродным покрытием в кремниевых-литий-ионных батареях
Компания «Научно-исследовательский институт технологий угольно-химической промышленности провинции Шэньси», ООО
Шэнь Сяохуэй