Влияние новых электродов на срок службы литий-ионных аккумуляторов

Есть ли в вашей жизни момент, когда вы думаете, что технологии отстают?

Да, когда мы распаковали iPad, один из самых дорогих персональных компьютеров нашего времени, ощущение бессилия охватило все тело, а большой черный кусок посередине занимал большую часть всей машины. Что это? Это аккумулятор!

Когда вибрационный двигатель может быть таким точным, что ограничивает разработку электронных продуктов в сторону более безопасных и легких? Это аккумулятор!

Чтобы заменить традиционную литиевую батарею, исследователи обращают внимание на разработку нового типа литиево-ионной батареи с превосходными циклическими характеристиками. Обнаружено, что когда размер частиц уменьшен и электрод является наноструктурой, электрод может нормально работать даже в процессах литирования и делитирования, даже если объемная деформация велика. . Некоторые исследователи также отметили, что электродный материал с покрытием (ядро-оболочка) имеет низкую степень износа во время цикла заряда и разряда. Однако в материалах электродных наноструктур возникли новые проблемы: низкая объемная емкость (низкая плотность утряски), высокие характеристики сопротивления, что увеличивает производственные затраты и низкая кулоновская эффективность из-за побочных реакций.

Ввиду вышеуказанных проблем анодный композитный материал может устранить эти недостатки. Базовый композитный анодный материал, представленный графеном, имеет такие преимущества, как высокая электропроводность, высокая механическая прочность, прочное соединение с литиевыми активными компонентами, быстрое пропускание ионов лития и т. Д., Но недостатки. Существуют следующие аспекты: 1. Потенциал общей емкости имеет ограничения. 2. Синтетическая технология стоит дорого. 3. Потери в первом цикле велики, а эффективность цикла низкая.

Недавно зарубежная группа Gurpreet Singh синтезировала упорядоченный, перекрестный, автономный композитный материал с анодом большой площади, состоящий из SiOC и восстановленного оксида графена (rGO). Материал анода имеет более высокую объемную емкость, чем указанные нанотрубки Si / C, а окислительно-восстановительный лист графена служит основным материалом для частиц SiOC, и комбинация этих двух демонстрирует высокие каналы переноса электронов, большой цикл, высокую плотность тока, и структура, высокая стабильность и другие преимущества. Кроме того, он компенсирует дефекты других типов литиевых батарей, емкость заряда первого цикла высокая (702 мАч-1), стабильная удельная емкость зарядки велика (543 мАч-1), а плотность зарядного тока высокая (2400 мАч. -1). Что еще более заслуживает внимания, так это то, что этот композитный анодный материал имеет отличные характеристики разрушения при деформации (более 2%), что выше, чем характеристики разрушения простого восстановленного оксида графена, похожего на бумагу.

Кремний и графен обладают высокой теоретической несущей способностью, что является хорошим анодным материалом для литиевых батарей, но его низкая плотность энергии, низкая эффективность и плохая стабильность ограничивают его практическое применение. Здесь мы сообщаем о самостоятельном анодном материале, состоящем из частиц углеродного кварцевого стекла, внедренных в химически модифицированную графеновую матрицу. Упрощенная матрица из пористого оксида графена используется в качестве высокоэффективного переносчика электронов и является стабильным коллектором тока структуры. Его можно использовать вместе с аморфным оксикарбидом кремния, чтобы литиевые батареи имели высокую кулоновскую эффективность. За 1020 циклов плотность энергии бумажного электрода достигла 588 мА · ч-1 без каких-либо признаков механического повреждения.

В статье также указывалось на сокращение использования некоторых ненужных материалов, таких как токосъемники или полимерные связующие, для производства эффективных легких батарей.

(а) Сканирующая электронная микроскопия частиц SiC, образованных при разложении TTCS (1,3,5,7-тетраметил-1,3,5,7-тетравинилциклотетрасилоксан). Можно заметить, что стеклообразные частицы состоят из частиц субмикронного размера.

(b) Сшитый TTCS и пиролизованный оксикарбид кремния, охарактеризованные с помощью рентгеновской энергетической спектроскопии.

(c) Это спектр оксинитрида кремния при сканировании с помощью рентгеновского излучения высокой мощности.

(f) Пик рамановского спектра оксикарбида кремния характеризуется графитом (D1-пик: 1350 см-1; G-пик: 1590 см -1).

(g) Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье SiC и сшитого TTCS (γ: мода колебаний при растяжении; σ: мода колебаний изгиба)

(h) Модель атомной структуры частиц оксихлорида углерода после пиролиза.

(i) Микрофотография, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа, композитного материала, состоящего из оксикарбида кремния и оксида графена. Большие белые пятна оксида графена покрывают поверхность оксикарбида кремния.

(j) Использование аморфного оксикарбида кремния и сильно осажденного листового материала из оксида графена со слабым круговым рисунком, из-за его полиморфизма, соответствующая картина дифракции электронов в выбранной области просвечивающей электронной микроскопии выглядит как многоточечный режим.

(k) Элементарный разрез сфокусированного ионного пучка 60SiOC, Si, C и O представлены синим, красным и зеленым соответственно.

(l) Рентгенограммы сшитых TTCS, SiOC, GO и композитных бумажных материалов до и после термообработки.

(m) Термогравиметрический анализ бумаги с оксидом графена и неотожженной бумаги (нагретой от 30 до 800 градусов Цельсия в плавном потоке воздуха со скоростью 10 градусов Цельсия в минуту)

Электрохимические характеристики и механизм хранения лития

(а) Схема различных зарядных емкостей бумажных электродов и эффективности зарядки в случае, когда плотность тока увеличивается в асимметричной форме при выполнении цикла заряда и разряда.

(b) Долговременная смена электродов из rGO и 60SiOC составляет 1600 мАч на грамм. После 970 циклов электрод показал хорошие характеристики восстановления на грамм, когда плотность тока упала до 100 мА. На вставке - микрофотография электродов RGO и 60SiOC, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

(c) Кривая напряжения электрода 60SiOC.

(d) Различные кривые производительности для первого, второго и десятого циклов.

(e) Циклическая работа 60SiOC ниже нуля. При охлаждении до минус 15 градусов Цельсия аккумулятор показывает емкость примерно 200 мАч на грамм. Когда температура поднимается до комнатной, примерно 25 градусов Цельсия, емкость аккумулятора снова меняется примерно до 86%.

(f) Схематическая диаграмма лития или нелития в частицах оксихлорида углерода. Большая часть лития распределена в неупорядоченной углеродной фазе, и эти углеродные фазы равномерно распределены в аморфной матрице SiOC. Большой лист RGO действует как высокоэффективный электронный проводник и упругая опора.

Механический тест

(а) Фотография, сделанная, когда бумага rGO разорвана, представляет собой схематическую диаграмму испытания на растягивающую силу, а шкала показывает, что изменение длины составляет 0,28 мм.

(b) Картины деформации, полученные на основе данных «нагрузка-смещение», и соответствующие им значения модуля.

(c) Значения коэффициентов RGO, 10SiOC, 40SiOC и 60SiOC с ошибками 26,8, 7,6, 41,5, 24,1 МПа соответственно.

(d) бумага RGO демонстрирует явление растяжения и перегруппировку графеновых листов до разрушения.

(e) Для бумаги 60SiOC произошло небольшое растяжение и перегруппировка, и пунктирная линия постепенно растрескалась, поскольку частицы SiOC были внедрены в белое пятно RGO.

Подготовка к способу получения. Получение керамики SiOC. SiOC получали пиролизом полимера, и жидкий TTCS подвергали поперечной сшивке в течение 5 часов в атмосфере аргона при 380 ° C, чтобы окончательно сформировать белое нерастворимое вещество. Затем нерастворимое вещество измельчали в шаровой мельнице до порошка, а затем подвергали пиролизу при 1000 ° C в течение 10 часов в атмосфере аргона, чтобы окончательно превратиться в черный керамический порошок SiOC. Приготовление GO и SiOC: GO готовили с использованием модифицированного Hummer's, и 20 мл коллоидной суспензии GO готовили путем обработки ультразвуком воды и изопропанола в объемном соотношении 1: 1. К раствору добавляли различные массовые проценты частиц SiOC, раствор встряхивали ультразвуком в течение 1 часа, перемешивали в течение 6 часов, а затем композит фильтровали под вакуумом с помощью фильтрующей мембраны 10 микрон. GO / SiOC осторожно соскребали с фильтровальной бумаги, сушили и выдерживали при 500 ° C в течение 2 ч в атмосфере аргона. Кроме того, полипропилен использовался в качестве фильтровальной бумаги для изготовления бумаги с большой площадью 60 SiOC. Термообработанную бумагу разрезали на маленькие кружки и использовали в качестве материала рабочего электрода для полуэлемента ионно-литиевой батареи. Сборка кнопочного элемента и электрохимическое измерение: литиевые батареи собираются в перчаточном ящике, заполненном аргоном. Стекло толщиной 25 микрон (диаметр 19 мм) было погружено в электролит между рабочим электродом и металлическим литием (диаметр 14,3 мм, толщина 75 микрон) в качестве противоэлектрода. Прокладка, пружина, корпус аккумулятора и т.п. последовательно собираются, а затем формуются прессованием.

Перспективы: литиевые батареи продолжают двигаться в направлении более высокой плотности энергии, меньшего веса и безопасности, что приведет к появлению большего количества мобильных терминалов во всех аспектах нашей жизни, так что наша жизнь будет длиться вечно!

Композитный бумажный электрод SiO-стекло-графен, подготовленный исследовательской группой, имеет превосходные циклические характеристики. Электродный материал имеет низкую удельную емкость после повторных циклов, первый цикл имеет более высокую удельную емкость и более длительный срок службы, и исследовательская группа определила отсутствие компонентов. Ингредиенты активных ингредиентов определяют направление для производства легких аккумуляторов.

Страница содержит содержимое машинного перевода.