Construire un gonflement de volume nul de l'anode composite au lithium pour atteindre une densité d'énergie élevée
Appréciation de la littérature : Construire un gonflement de volume nul de l'anode composite au lithium pour obtenir une batterie au lithium métal flexible stable à haute densité d'énergie
Informations sur l'auteur et résumé de l'article
En 2022, le groupe de recherche Deng Yonghong de l'Université des sciences et technologies du Sud a coopéré avec le professeur Zheng Zijian de l'Université polytechnique de Hong Kong (premier auteur : Luo Chao, doctorant de l'Université des sciences et technologies du Sud) et a développé une méthode rouleau à rouleau pour préparer une électrode négative composite au lithium expansé à volume nul, qui peut améliorer considérablement la densité d'énergie et les propriétés mécaniques flexibles des batteries au lithium métal. L'électrode négative a une structure en sandwich : comprenant la couche d'isolation électronique supérieure, la couche d'affinité au lithium en bas et la couche poreuse au milieu. L'auteur a en outre vérifié l'excellente flexibilité, la densité d'énergie et le taux de rétention de cycle de la batterie au lithium métal en faisant correspondre les électrodes positives NCM et LCO.
Figure 1. Schéma de principe de l'anode d'expansion à volume nul avec inclusion de lithium
Programme de test
1. Construisez une anode composite au lithium et une batterie complète au lithium métal.
2. Caractérisation structurale : La caractérisation morphologique du FE-SEM, la structure chimique de surface, le XPS, et le comportement de gonflement, le SWE2100 (IEST).
3. Caractérisation des performances électrochimiques : les performances du cycle de la boucle électrique et de l'emballage souple.
4. Caractérisation des performances mécaniques : performances de flexion de l'électrode et de la batterie de poche.
Interprétation du résultat
Figure 2. Principe de conception et comportement de gonflement volumique d'une anode au lithium métallique avec un volume nulgonflement
À l'aide d'un film poreux isolant électronique (EIfilm), combinant une matrice en fibre de carbone recouverte de Cu (Cu CM) et une feuille d'alliage Li Mg ultra-mince, l'auteur a préparé une anode creuse composite au lithium métallique. La préparation réussie de l'anode composite au lithium à structure sandwich a été confirmée en utilisant le SEM et le diagramme de cartographie des éléments. Pour démontrer le volume zérogonflementpropriétés de ce composite, les auteurs ont assemblé Li contre le NCM811La cellule monocouche, utilisant la méthode d'essai in-situgonflementépaisseur etgonflementforce, peut évidemment comparer le peu d'épaisseur ou de contraintegonflementde zéro anode VE-Li dans le processus de cycle de charge et de décharge, ce qui prouve l'excellentgonflementperformance de suppression du matériau composite.
Figure 3. SEI et diagramme d'analyse de la stabilité du cycle de l'anode au lithium métallique avec un volume nulgonflement
En caractérisant XPS les changements d'interface lithium métal apportés par la couche fonctionnelle d'isolation de la couche supérieure de la nouvelle anode lithium métal, il est prouvé que SEI contient la couche inorganique Li avec le meilleur effet inhibiteur sur la dendrite de lithium3N, et le Li F. Et le pôle positif sont NCM811Par rapport aux deux types de batteries LCO, la cellule de batterie a le taux de rétention de capacité de cycle le plus élevé avec zéro VE-Li comme électrode négative.
Figure 4. Stabilité électrochimique et mécanique d'une seule couche de batterie entière au lithium métal
Grâce à des tests de flexion dynamique et de résistance, les auteurs ont découvert que zéro VE-Li ne présentait aucun changement significatif de résistance et de morphologie après 4 000 expériences de flexion, montrant une excellente flexibilité. L'électrode zéro VE-Li a été associée à l'électrode positive flexible à charge de surface élevée pour assembler les batteries flexibles. A partir de l'évaluation de la stabilité du cycle électrochimique et de la stabilité mécanique, le volume zérogonflementl'électrode négative a montré une efficacité Cullomb élevée, un taux de rétention de capacité de cycle élevé et de bonnes caractéristiques flexibles.
Figure 5. Stabilité électrochimique et mécanique d'une batterie complète au lithium métal multicouche
Les auteurs ont ensuite préparé des anodes à double expansion à volume nul et ont découvert qu'elles avaient une capacité massique plus élevée que les matériaux d'anode commerciaux. Les batteries lithium-métal flexibles multicouches assemblées ont une densité d'énergie pondérale et une densité d'énergie volumique élevées, et peuvent toujours maintenir un taux de rétention de capacité de 75 % après 3 000 tours d'expériences de flexion. En comparant les valeurs de densité d'énergie des batteries flexibles à base de lithium dans d'autres publications connexes, la batterie complète au lithium-métal flexible basée sur l'anode composite au lithium à volume nul développée dans ce travail a une densité d'énergie de surface extrêmement élevée (22,7 mWh cm)-2), Densité d'énergie volumique pratique (375 W h L-1, Basé sur le volume de l'électrode positive et négative, du diaphragme et du matériau d'emballage) et un facteur de qualité flexible record (FOM, 45,6).
Résumer
Cet article développe une anode composite au lithium expansé à volume nul, qui possède d'excellentes propriétés électrochimiques et une flexibilité mécanique, et peut améliorer considérablement la densité d'énergie des batteries au lithium métal. L'électrode négative a une structure en sandwich : comprenant la couche d'isolation électronique supérieure en bas, la couche d'affinité au lithium en bas et la couche poreuse au milieu.
L'auteur a en outre vérifié l'excellente flexibilité, la densité d'énergie et le taux de rétention de cycle de la batterie au lithium métallique flexible correspondante en faisant correspondre les électrodes positives NCM et LCO. La conception d'expansion à volume nul offre de nouvelles idées pour l'application pratique des batteries au lithium métal. Le processus de fabrication volume à volume montre également son potentiel pour une production à grande échelle. En principe, le volume zérogonflementLa conception convient également à la construction d'autres batteries métalliques négatives (telles que les batteries au sodium, au potassium et au zinc métallique) pour améliorer la densité d'énergie, le cycle et la stabilité structurelle.
La littérature originale
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*. - Anodes composites au lithium à expansion volumique pour réaliser des batteries au lithium métal flexibles et stables à haute densité d'énergie.Matériaux avancés, doi.org/10.1002/adma.202205677.
Équipement de test lié à la technologie énergétique IEST recommandé
Système d'analyse de gonflement in situ de la série SWE (IEST): Utilisation d'une plate-forme d'automatisation hautement stable et fiable, équipée d'un capteur de mesure d'épaisseur de haute précision, pour mesurer la quantité de changement d'épaisseur et le taux de changement de l'ensemble du processus de charge et de décharge de la cellule, qui peut réaliser les fonctions suivantes :
1. Condition de pression constante pour tester la courbe d'épaisseur de gonflement de la batterie.
2. Testez la courbe de force de gonflement de la batterie dans des conditions d'écart constant.
3. Test de performance de compression de la batterie : module de compression de la courbe de contrainte et de déformation.
4. Test étape par étape de la force de gonflement de la batterie.
5. Contrôle de température différent : -20~80℃.
