Как увеличить емкость литий-ионного аккумулятора

Емкость коммерческих литий-ионных батарей ограничена теоретической емкостью катодных материалов. В настоящее время исследователи в основном используют разработку новых катодных материалов и усовершенствованные методы проектирования электродов для увеличения емкости заряда и разряда батареи. Несколько исследований были сосредоточены на повышении емкости батареи за счет улучшения части материала электродов в батарее. Диафрагма - важная часть литий-ионных аккумуляторов, которая напрямую влияет на срок службы, безопасность, плотность энергии и удельную мощность литий-ионных аккумуляторов. Диафрагма коммерческой литий-ионной батареи обычно изготавливается из полиолефина, и ее проницаемость электролитом и термическая стабильность являются низкими.

Возобновляемая недорогая целлюлозная диафрагма обладает такими преимуществами, как хорошая гидрофильность, регулируемая структура и высокая гибкость, а также простой производственный процесс термостабильности Gaohe. В настоящее время исследования диафрагмы на основе целлюлозы в основном сосредоточены на разработке безопасной диафрагмы с хорошей электролитической инфильтрацией. Было проведено несколько исследований по изготовлению диафрагмы на основе целлюлозы, которая может увеличить емкость батареи, оставаясь при этом химически функциональной. Следует отметить, что традиционная коммерческая диафрагма и ее модифицированная диафрагма составляют около 15-20 дюймов объема в одной батарее. Теоретически объем других активных материалов может быть соответственно увеличен за счет уменьшения толщины диафрагмы для увеличения емкости батареи. Однако не существует надежного метода изготовления ультратонкой диафрагмы и поддержания необходимых и важных характеристик диафрагмы батареи.

[Введение в результаты]

Недавно Ванчжаохуи, старший научный сотрудник Уппсальского университета в Швеции, и Лейфф Нихольм (соавтор информационного бюллетеня) и другие опубликовали исследование под названием «Редокс-актив-прематориум-ионные батареи» по Advency Science. В этой работе команда подготовила гибкую мезопористую активную диафрагму Redox, состоящую из наноцеллюлозных волокон (NCF) и полипиррольных (PPy) композитов с помощью простого процесса изготовления бумаги. Активная диафрагма Redox имеет двухслойную структуру, один из которых представляет собой изолирующий слой NCF толщиной около 3 мкм, а другая сторона состоит из композитного слоя PPy / NCF с окислительно-восстановительной активностью с регулируемой толщиной. Среди них слой NCF действует как основная изоляция между электродами. Активный окислительно-восстановительный композитный слой PPy / NCF может обеспечить механическую поддержку слоя NCF и обеспечить дополнительную емкость для литий-ионных батарей. Команда обнаружила, что гибкая диафрагма окислительно-восстановительного потенциала имеет значительные преимущества перед коммерческой полиэтиленовой диафрагмой (PE) с точки зрения термической стабильности и смачиваемости электролитом. Активная диафрагма Redox не обнаружила короткого замыкания во время концептуальной проверки цикла батареи, а из-за наличия слоев PPy емкость батареи значительно увеличилась. В концептуальной батарее, когда LiFePO4 (LFP) является положительным электродом, литий-ионные батареи с активной диафрагмой Redox могут иметь емкость 67 мкАч · см-3/81 мА · ч · г-1. Полученная емкость выше, чем у литий-ионной батареи с использованием обычной диафрагмы (исходя из общего объема / веса диафрагмы и положительного электрода). Это показывает, что использование активной диафрагмы Redox может обеспечить новый метод увеличения емкости традиционных литий-ионных батарей путем замены диафрагмы.

[Графическое руководство]

Рис.1 (а) Традиционная диафрагма, б) Боковая диаграмма диафрагмы с окислительно-восстановительным потенциалом

Электрохимическая активная диафрагма увеличивает емкость литий-ионного аккумулятора

Примечание: светло-зеленая зона: изоляционный материал; Светло-серая область: активный компонент окислительно-восстановительного потенциала

Идея конструкции: сочетая тонкий изоляционный слой с пористым опорным слоем, состоящим из проводящих окислительно-восстановительных материалов, можно получить гибкую окислительно-восстановительную диафрагму с толщиной, аналогичной толщине обычной диафрагмы, не только для обеспечения безопасной работы батареи. , Также можно увеличить емкость аккумулятора.

Рис. 2 Приготовление и морфологические характеристики активированной диафрагмы восстановления СО2.

Электрохимическая активная диафрагма увеличивает емкость литий-ионного аккумулятора

А) схематическая диаграмма процесса изготовления активной диафрагмы окислительно-восстановительного потенциала;

Б) Фотографии гибкой окислительно-восстановительной активной диафрагмы;

C) SEM-диаграмма слоя NCF;

D) SEM-диаграмма со слоем PPy;

E) СЭМ-диаграмма разорванной окислительно-восстановительной активной диафрагмы.

Рис.3 Пористые структуры различных мембран

Электрохимическая активная диафрагма увеличивает емкость литий-ионного аккумулятора

Диафрагма на основе NCF, активная диафрагма Redox, композитная мембрана PPy @ NCFs: а) апертурное распределение; (b) Накопленный объем ствола.

Рис.4 Испытание термической стабильности и смачиваемости электролитов.

Электрохимическая активная диафрагма увеличивает емкость литий-ионного аккумулятора

(а) Испытание термостойкости полиэтиленовой диафрагмы (рисунок выше) и активной диафрагмы окислительно-восстановительного потенциала (рисунок ниже) при повышенных температурах (слева: до термообработки; рисунок справа: после термообработки);

B) Электролитический гигроскопический тест PE диафрагмы и Redox активной диафрагмы (слева: перед титрованием электролита; справа: после добавления электролита).

Рис.5 Электрохимические свойства ячеек, состоящих из отрицательного электрода и другой диафрагмы, с LiFePO4 в качестве положительного электрода и Li в качестве отрицательного электрода.

Электрохимическая активная диафрагма увеличивает емкость литий-ионного аккумулятора

А) кривая заряда / разряда при скорости 02C;

Б) циклическая вольтамперометрическая кривая со скоростью развертки 0,2 M Vs-1;

c) множественность характеристик;

D) Циклическая стабильность CellI.

Примечание: 1. Толщина активной диафрагмы Redox, диафрагмы NCF, диафрагмы PE и диафрагмы GF составляет 10, 10, 25 и 255 мкм соответственно; 2, CellI: LFP - положительный полюс, Li - отрицательный полюс, а слой PPy активной диафрагмы Redox находится в контакте с положительным полюсом LFP; 3, диафрагма GF: диафрагма из стекловолокна

Рисунок VI. Сравнение механизма увеличения емкости и удельной / объемной емкости различных диафрагм.

Электрохимическая активная диафрагма увеличивает емкость литий-ионного аккумулятора

A) Принципиальная схема батареи LFP / Li, содержащей активную диафрагму Redox (NCF диафрагмы находятся в прямом контакте с отрицательным электродом из Li);

B) Сравнение веса / объема диафрагмы и положительного электрода с весом / объемом LFP / Li-батареи.

Рисунок VII Сравнение грузоподъемности элементов с полиэтиленом в качестве диафрагмы (LFP-PPy) / литиевых и аккумуляторных батарей с активной диафрагмой Redox.

Электрохимическая активная диафрагма увеличивает емкость литий-ионного аккумулятора

[Резюме]

В данной работе предлагается метод создания двухслойной целлюлозной мембраны путем введения пористого окислительно-восстановительного активного слоя для улучшения электрохимических характеристик ионно-литиевых батарей. Поскольку активная диафрагма Redox может обеспечить дополнительную емкость, при замене обычной коммерческой диафрагмы активной диафрагмой Redox емкость литий-ионных батарей с LiFePO4 в качестве положительного полюса и Li в качестве отрицательного электрода увеличится с 0,16 мАч до 0,276 мАч. Авторы отмечают, что дальнейшие работы могут увеличить емкость за счет улучшения толщины электроактивного слоя и состава электроактивного материала. Увеличение емкости электрохимической системы накопления энергии с помощью активной диафрагмы Redox дает новую идею для разработки тонкопленочных литий-ионных батарей с высокой плотностью энергии и других электронных продуктов.

Страница содержит содержимое машинного перевода.