Construction d'une anode composite au lithium à expansion de volume nul pour atteindre une densité d'énergie élevée et une batterie au lithium métal flexible et stable

Construction d'une anode composite au lithium à expansion de volume nul pour atteindre une densité d'énergie élevée et une batterie au lithium métal flexible et stable

Informations sur l’auteur et résumé de l’article

En 2022, le groupe de recherche SUSTech de Deng Yonghong a coopéré avec l'équipe du professeur Zheng Zijian de l'Université polytechnique de Hong Kong (premier auteur : Luo Chao, doctorant de la Southern University of Science and Technology) pour développer une méthode roll-to-roll pour préparer une anode composite au lithium avec une expansion de volume nulle, ce qui peut améliorer considérablement la densité énergétique du lithium métal et les propriétés mécaniques de flexion des batteries. L'électrode négative présente une structure sandwich comprenant une couche isolante électronique sur le dessus, une couche lithophile sur le dessous et une couche poreuse au milieu qui absorbe l'expansion du volume. Les auteurs ont en outre vérifié l’excellente flexibilité et l’énergie de la batterie au lithium métal en faisant correspondre les électrodes positives NCM et LCO. propriétés telles que la densité et la rétention de cycle.

Figure 1. Diagramme schématique de l'intercalation du lithium d'une anode à expansion à volume nul

Plan de test

1. Construisez une anode composite au lithium et une batterie complète au lithium métal.

2. Caractérisation structurale : caractérisation morphologique FE-SEM, structure chimique de surface XPS, comportement au gonflement SWE2100 (IEST).

3. Caractérisation des performances électrochimiques : performances du cycle de déduction et de soft pack.

4. Caractérisation des performances mécaniques : performances en flexion des électrodes et des cellules en poche.

Analyse des résultats

Chiffre 2. Principe de conception et comportement d'expansion volumique de l'anode métallique Li avec expansion de volume nulle

Les auteurs ont préparé une anode composite creuse au lithium métallique en utilisant un film poreux isolant électroniquement (film EI) combiné à une matrice de fibres de carbone recouvertes de Cu (CuCM) et une feuille ultra-mince d'alliage LiMg par un processus de laminage. La morphologie du matériau composite a été observée par SEM et cartographie des éléments, ce qui a confirmé la préparation réussie de l'anode composite au lithium à structure sandwich. Afin de prouver la propriété d'expansion de volume nul du composite, les auteurs ont assemblé une batterie monocouche Li-à-NCM811, en utilisant les méthodes de test d'épaisseur et de force d'expansion in situ, il peut être clairement comparé que le zéroVE-Li L'anode n'a presque aucune épaisseur pendant le cycle de charge-décharge. Ou encore la dilatation sous contrainte, démontrant l’excellente résistance à la dilatation du composite.

Figure 3. Analyse SEI et stabilité du cycle de l'anode au lithium métallique avec expansion de volume nulle

Le changement de l'interface lithium métal apporté par la couche fonctionnelle isolante supérieure dans la nouvelle anode lithium métal a été caractérisé par XPS, qui a prouvé que le SEI contient les couches inorganiques Li3N et LiF avec le meilleur effet d'inhibition sur les dendrites de lithium. Et en assemblant deux types de batteries dont les électrodes positives sont respectivement NCM811 et LCO, on peut clairement comparer le fait que la cellule a le taux de rétention de capacité de cycle le plus élevé lorsque zéroVE-Li est utilisé comme électrode négative.

Figure 4. Stabilité électrochimique et mécanique des cellules pleines au lithium métal monocouche

Grâce à des tests dynamiques de flexion et de résistance, l'auteur a constaté qu'après 4 000 expériences de flexion, la résistance et la morphologie de zeroVE Li ne changeaient pas de manière significative, montrant une excellente flexibilité. L'électrode zeroVE Li a été associée à une électrode positive flexible à charge de surface élevée pour assembler une batterie flexible. Du point de vue de la stabilité du cycle électrochimique et de la stabilité mécanique, l'électrode négative à expansion de volume nul a montré une efficacité coulombienne élevée, un taux de rétention de capacité de cycle élevé et une bonne aptitude à la flexion.

Figure 5. Stabilité électrochimique et mécanique des cellules pleines multicouches au lithium métal

L'auteur continue de préparer une anode double face à expansion à volume nul et constate qu'elle a une capacité massique spécifique plus élevée que les matériaux d'anode commerciaux. La batterie au lithium métallique flexible multicouche assemblée présente une densité d'énergie pondérale et une densité d'énergie volumique élevées, et peut toujours maintenir une rétention de capacité de 75 % après 3 000 cycles d'essai de flexion. En comparant les valeurs de densité énergétique des batteries flexibles à base de lithium dans d'autres documents pertinents, la batterie flexible au lithium métal développée dans ce travail basée sur une anode composite au lithium à expansion de volume nul a une densité d'énergie de surface très élevée (22,7 mWh cm-2), une densité d'énergie volumique pratique (375 Wh L-1, basée sur le volume des électrodes positives et négatives, des diaphragmes et des matériaux d'emballage) et un facteur de qualité flexible record (FOM, 45,6).

Résumer

Dans cet article, une méthode roll-to-roll a été développée pour synthétiser une anode composite au lithium à gonflement de volume nul, qui présente d'excellentes performances électrochimiques et une excellente flexibilité mécanique, et peut améliorer considérablement la densité énergétique des batteries au lithium métal. L'électrode négative a une structure sandwich : elle comprend une couche isolante électronique en haut, une couche lithophile en bas et une couche poreuse au milieu qui absorbe l'expansion du volume. En faisant correspondre les électrodes positives NCM et LCO, l'auteur a en outre vérifié l'excellente flexibilité de la batterie flexible au lithium métal correspondante, ainsi que des propriétés telles que la densité d'énergie et la rétention de cycle. La conception à expansion à volume nul offre une nouvelle idée pour l’application pratique des batteries au lithium métal. Le procédé de fabrication roll-to-roll montre également son potentiel pour une production à grande échelle. En principe, cette conception à expansion à volume nul est également applicable à la construction d'autres anodes de batteries métalliques (telles que les batteries au sodium, au potassium et au zinc, etc.) afin d'améliorer la densité énergétique, le cyclage et la stabilité structurelle.

Documents originaux

Chao Luo, Hong Hu, Tian Zhang, Shujing Wen, Ruo Wang, Yanan An, Shang-Sen Chi, Jun Wang, Chaoyang Wang, Jian Chang*, Zijian Zheng* et Yonghong Deng*. Fabrication roll-to-roll de ZeAnodes composites au lithium à expansion de volume ro pour réaliser des batteries au lithium métal flexibles et stables à haute densité d'énergie. Matériaux avancés,est ce que je.org/10.1002/adma.202205677.

Recommandation d'équipement de test lié à l'IEST

Système de gonflement in situ de la série SWE (IEST) : utilisant une plate-forme d'automatisation hautement stable et fiable, équipée de capteurs de mesure d'épaisseur de haute précision, il peut mesurer le changement d'épaisseur et le taux de changement de l'ensemble du processus de décharge de charge du noyau électrique, et peut réaliser les fonctions suivantes :

1. Testez la courbe d'épaisseur d'expansion de la batterie sous une pression constante.

2. Testez la courbe de force d'expansion de la batterie dans des conditions d'écart constant.

3.Test de performance de compression de la batterie : module de compression de la courbe contrainte-déformation.d

4. Test étape par étape de la force d'expansion de la batterie.

5. Contrôle de température différent : - 20 ~ 80 ℃.