Алюминиевая фольга – это коллектор тока первичного катода в коммерческих литий-ионных- батареях. Однако традиционные токосъемники из алюминиевой фольги создают ряд проблем, в том числе контактное сопротивление на границе раздела между жесткой фольгой и блоками активного материала катода, что приводит к значительному межфазному сопротивлению. Слабая адгезия с активным материалом в сочетании с постоянным изменением объема электрода во время циклов зарядки/разрядки может привести к отслоению активного материала («пылению»), ускорению снижения емкости и снижению срока службы. Кроме того, продукты окислительного разложения электролита могут участвовать в электрохимических реакциях на алюминиевой фольге, ускоряя ее коррозию. Для решения этих проблем были изучены различные методы модификации алюминиевой фольги, включая химическое травление, электрохимическое травление, анодирование постоянным током, обработку коронным разрядом и нанесение проводящих покрытий (таких как графеновые покрытия, покрытия из углеродных нанотрубок и композитные покрытия) на поверхность подложки. Некоторые из них уже используются в коммерческих продуктах. В последние годы широкое распространение получили проводящие покрытия, особенно алюминиевая фольга с углеродным-покрытием. Основными причинами являются их способность снижать межфазное контактное сопротивление катодного токосъемника, смягчать поляризацию и, следовательно, в некоторой степени увеличивать скорость разряда батареи.
Текущие исследования фольги с углеродным-покрытием в первую очередь сосредоточены на совместимости фольги с катодными составами и скоростных характеристиках. Такие методы, как химическая коррозия, электрохимическое травление и обработка коронным разрядом, могут улучшить смачиваемость и шероховатость поверхности алюминиевой фольги, снизить сопротивление переносу заряда, а также повысить скорость и циклические характеристики. Было доказано, что такие покрытия, как графен, углеродные нанотрубки и анти-коррозионные покрытия, улучшают характеристики элементов. Например, одно исследование показало, что графеновое покрытие привело к увеличению внутреннего сопротивления всего на 5 мОм после 50 циклов, продемонстрировав хорошую адгезию. Несмотря на то, что были проведены значительные исследования суспензионных систем, реализации процессов и технологий обработки поверхности, о влиянии толщины углеродного покрытия на общую производительность элемента, особенно на скорость и циклические характеристики литий-железо-фосфатных катодов (LFP), сообщалось редко. В этом исследовании в основном используется алюминиевая фольга толщиной 16 мкм в качестве подложки для изучения морфологических изменений фольги с различной толщиной углеродного покрытия и их последующего влияния на производительность клеток.
Физические характеристики фольг с покрытием различной толщины
Как показано между таблицей, поверхностная плотность фольги постепенно увеличивается с толщиной проводящего покрытия. Электрическое сопротивление фольги не меняется линейно с толщиной. Все токосъемники с углеродным покрытием обладают меньшей проводимостью, чем чистый алюминий, а значения сопротивления в 2–6 раз выше. Образец Ал-2 показывает наименьшее внутреннее сопротивление, а Ал-5 — самое высокое. Это объясняется увеличением содержания (менее проводящего) связующего/коллоидного материала внутри покрытия по мере увеличения веса покрытия. По мере увеличения толщины углеродного покрытия площадь контакта между активным материалом литий-железо-фосфата (LFP) и слоем проводящего покрытия также увеличивается, что приводит к увеличению прочности на отслаивание. Однако с увеличением площади внедрения контакт между активным материалом и связующим/коллоидным материалом внутри проводящего слоя также увеличивается, что приводит к повышению сопротивления.
|
Нет.
|
Общая толщина μm
|
Плотность площади g · m－2
|
Плотность покрытия g · m－2 |
Сопротивление /mΩ
|
|
| Двусторонний-сторонний | Односторонний-сторонний | ||||
|
Ал |
16 |
43. 036 76 |
0 |
0 |
21. 17 |
|
Ал-1 |
17 |
44. 691 79 |
1. 655 0 |
0. 827 5 |
77. 51 |
|
Ал-2 |
18 |
45. 583 08 |
2. 546 3 |
1. 273 1 |
43. 21 |
|
Ал-3 |
19 |
46. 219 72 |
3. 182 9 |
1. 591 4 |
58. 70 |
|
Ал-4 |
20 |
47. 302 00 |
4. 265 2 |
2. 132 6 |
111. 10 |
|
Ал-5 |
21 |
48. 766 26 |
5. 729 4 |
2. 864 7 |
131. 10 |
Морфология и элементный анализ фольг с покрытием различной толщины
Поверхность подложки с углеродным-покрытием в целом выглядит рыхлой и пористой. По сравнению с голой алюминиевой фольгой поверхность становится более шероховатой, обеспечивая больше точек контакта частиц. Волнистость топографии поверхности становится более выраженной с увеличением толщины проводящего покрытия. Однако даже в случае фольги Al-1 углеродный слой равномерно покрывает чистую алюминиевую фольгу. Это проводящее покрытие состоит из частиц размером около 3,4 мкм и более мелких частиц в диапазоне 150–200 нм, при этом наблюдается некоторая агломерация частиц из суспензии проводящего покрытия. Все монетные элементы, изготовленные из алюминиевой фольги с углеродным покрытием разной толщины, демонстрируют симметричные пики окисления и восстановления, что указывает на лучшую обратимость окислительно-восстановительной реакции по сравнению с алюминиевой фольгой без покрытия. Разность потенциалов между пиками окисления и восстановления меньше, чем у голой алюминиевой фольги, что позволяет предположить, что наличие углеродного покрытия смягчает поляризацию электрода.
Заключение
С точки зрения физико-химических свойств
- Прочность электродного листа на отслаивание увеличивается с увеличением толщины углеродного покрытия.
- Сопротивление электродного листа увеличивается с толщиной покрытия.
- Минимальное значение сопротивления наблюдалось при общей толщине 2,0 мкм.
- При толщинах 4,0 мкм и 5,0 мкм увеличивается сопротивление переносу заряда, ослабляется диффузионная способность Li+ и увеличивается поляризация.
- Эти результаты показывают, что толщину углеродного покрытия необходимо контролировать в соответствующем диапазоне.
С точки зрения электрохимических характеристик всего-элемента
- Алюминиевая фольга с углеродным-покрытием продемонстрировала преимущества при циклическом использовании при комнатной температуре 0,5 C и 2,0 C, а также при низко-разрядной работе при -20 градусах.
- Оптимальные характеристики циклирования в этих условиях наблюдались при общей толщине покрытия 2,0 мкм.
- Эксперименты также показали, что при силе тока 1,0C голая алюминиевая фольга демонстрирует выдающиеся характеристики при циклическом использовании, сохраняя более 90% емкости после 1500 циклов. Это открытие дает направление для дальнейшего исследования механизма алюминиевой фольги с углеродным-покрытием.
- Характеристики варьируются в зависимости от толщины углеродного покрытия. Использование чрезмерно большой толщины покрытия (например, 4,0 мкм и 5,0 мкм) не приводит к эффективному повышению производительности батареи, а вместо этого приводит к перерасходу материала суспензии и увеличению стоимости.
- Хотя голая алюминиевая фольга может обеспечить оптимальный срок службы при температуре 1,0 C, ее циклическая кривая демонстрирует значительные колебания, что отрицательно сказывается на более позднем-этапе оценки состояния батареи (SOH).
Если рассматривать все показатели комплексно, то общая толщина углеродного покрытия составит1.0 μmпредставляет собой оптимальный выбор по цене-производительности для алюминиевой фольги с углеродным-покрытием.
Ссылки
Китайская национальная инфраструктура знаний (CNKI)
ОБРАЩАЙТЕСЬ К НАШЕЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ КОМАНДЕ
Вы можете посетить ссылку на наш продуктhttp://www/карбон-с покрытием-фольга/карбон-с покрытием-алюминий-фольга/карбон-с покрытием-алюминиевая-фольга-for.htmlдля более подробной информации
