Sulfidga asoslangan to'liq qattiq holatdagi lityum batareyalar uchun anod - 2-qism Boshqa anodlar

Sulfidga asoslangan to'liq qattiq holatdagi lityum batareyalar uchun anod bo'yicha so'nggi yutuqlar

—— 2-qism Boshqa anodlar

Muallif:

JIA Linan, DU Yibo, GUO Bangjun, ZHANG Xi

1. Mashinasozlik maktabi, Shanxay Jiao Tong universiteti, Shanxay 200241, Xitoy

2. Shanghai Yili New Energy Technology Co., LTD. , Shanxay 201306, Xitoy

Lityum qotishma anod

Jiddiy interfasial yon reaktsiyalar tufayli sof lityumni qisqa muddatda sulfidli qattiq elektrolitlarda to'g'ridan-to'g'ri ishlatish qiyin, shuning uchun lityum qotishma materiallari yanada jozibali variantni ta'minlaydi. Metall lityum anodlar bilan solishtirganda, lityum qotishma anodlari interfeysning namlanishini yaxshilashi, interfeys yon reaktsiyalarining paydo bo'lishini inhibe qilishi, qattiq elektrolitlar interfeysining kimyoviy va mexanik barqarorligini oshirishi va lityum dendritlarning o'sishidan kelib chiqadigan qisqa tutashuvlardan qochishi mumkin. Shu bilan birga, suyuq lityum-ion batareyalar bilan solishtirganda, qotishma anodlar yuqori energiya zichligi va barcha qattiq holatdagi batareyalarda yaxshi barqarorlikni ko'rsatishi mumkin. Shu bilan birga, qotishma salbiy elektrodlar zaryadlash va tushirish vaqtida (masalan, Li-Si qotishmasi, Li-Sn qotishmasi va boshqalar) katta hajm va strukturaviy o'zgarishlarga duchor bo'ladi, shuning uchun qotishma materiallarini ishlab chiqish va qo'llash bo'yicha keyingi tadqiqotlar talab etiladi. Turli litiy qotishmalari orasida Li-In qotishmasi yaxshi mexanik egiluvchanligi va doimiy redoks potentsiali (0.62 V va Li+/Li) tufayli keng stexiometrik diapazonda laboratoriya miqyosida mashhurdir. Li-In qotishmalari odatda sulfid elektrolitlari uchun termodinamik va kinetik jihatdan barqaror materiallar hisoblanadi. Laboratoriyalarda elektrolitlar yoki katod materiallarining ishlashini tekshirish uchun keng qo'llaniladi, shu bilan birga past oqim va past yuk sharoitida yaxshi tsikl barqarorligini ko'rsatadi. Biroq, Li-In qotishmasining redoks potentsiali va molekulyar og'irligi yuqori bo'lib, bu butun qattiq holatdagi lityum-ion batareyalarning energiya zichligi afzalligini sezilarli darajada kamaytiradi. Odatda, tadqiqotlar Li-In qotishmalarida lityum dendritlarning o'sishi yo'qligiga ishonishadi. Biroq, Luo va boshqalar. yuqori oqim zichligi (3,8 mA·sm-2) va yuqori yuk (4 mA·s·sm{{23}) ostida Li-In|LPSCl|LNO@NCM622 to'liq qattiq holatdagi akkumulyatorida zaryadlash va tushirish sinovlarini o'tkazdi. }). Taxminan 900 sikldan keyin batareyada qisqa tutashuv borligi aniqlandi. Batareya barqaror aylanish quvvatini va 890 tsiklgacha bo'lgan zaryadsizlanish davrlarida deyarli 100% Kulomb samaradorligini saqlab qoldi, lekin 891 tsikldan keyin quvvat tezda pasayib, 897-chi tsiklda 0 ga yaqin tusha boshladi. 891-dan 897-tsiklga qadar batareyaning tegishli zaryadlash va tushirish kuchlanish egri chizig'i, unda zaryadlash hajmi asta-sekin o'sib boradi, mos keladigan tushirish quvvati esa kamayadi. 897-tsiklda batareya zaryadlashda davom etadi va quvvati o'sishda davom etadi, bu kuchlanishning pastroq ko'tarilish tezligi bilan birga keladi, bu ichki qisqa tutashuv va batareyaning ishdan chiqishini ko'rsatadi. Li-In dendritlarining o'sish mexanizmi SEM, XPS va boshqa xarakteristikalar va AIMD simulyatsiyasi orqali aniqlandi. Yuqori oqim va yuqori yuk sharoitida ekanligini ko'rsatadi. Metallic In sulfid elektrolitlari uchun termodinamik va kinetik jihatdan beqaror. Ovoz o'zgarishi va engil interfasial reaktsiyalar Li-In dendritlarining o'sishiga olib keladi va natijada uzoq tsikllar davomida batareyaning ishdan chiqishiga olib keladi. Lityum dendritlarning vertikal o'sishidan farqli o'laroq, Li-In dendritlarining o'sish rejimi gözenekler va don chegaralari bo'ylab lateral o'sishdir. O'sish tezligi sekin va u sulfid elektrolitlar tuzilishiga ozgina zarar etkazadi (6-rasm). Shuning uchun, Li-In dendritining o'sishi metall elektrod / qattiq elektrolitning elektrokimyoviy barqarorligini yaxshilash va elektrolitning porozitesini kamaytirish orqali bostirilishi mumkin.

6-rasm Li-In|LPSCl|LNO@NCM622 uchun velosiped interfeysi evolyutsiyasidan oldin va keyin

Al yuqori egiluvchanlik, yuqori zaxiralar va yuqori elektron o'tkazuvchanlik afzalliklariga ega. U yuqori nazariy o'ziga xos quvvatga ega (99 0 mA· h·g -1) va lityum qotishma materiallari orasida kichik hajmli kengayish tezligi (96%). Bu eng istiqbolli qattiq holatdagi lityum batareyali anod materiallaridan biridir. Shakl 7 (a) da ko'rsatilganidek, Pan va boshqalar. bog'lovchi va o'tkazuvchi vositasiz (Li0.8Al, o'ziga xos sig'imi 793 mA·h·g-1, 0,35 V va Li+/Li) bo'lmagan Li-Al qotishmasidan manfiy elektrod tayyorladi. LGPS elektrolitlari bilan yaxshi mos keladi. Buning sababi, tayyorlangan Li-Al qotishma anodining ish potentsiali LGPS ning haqiqiy elektrokimyoviy barqarorlik oynasida joylashganligi bilan bog'liq. 7(b)]. Elektrolitning kamayishi va parchalanishiga yo'l qo'ymaslik uchun yig'ilgan to'liq qattiq holatdagi akkumulyator mukammal teskarilikni ko'rsatdi, sig'imni ushlab turish darajasi 200 tsiklda 93,29% ni tashkil etdi. N/P nisbati 1,25 bo'lgan taqdirda, batareya quvvati zichligi 541 W·h·kg-1 ga yetdi, bu Li-Al qotishmasining mukammal qo'llash istiqbollariga ega ekanligini isbotladi.

Fig.7 ASSLBlarda Li-Al qotishma anodining sxemalari

Sakuma va boshqalar. Li-Sn qotishmasi, Li-Si qotishmasi va Li4-x Ge1-x P x S4 elektrolitlarining mos kelishini oʻrgandi va interfeysning kichikroq qarshiligi va yuqori oksidlanish-qaytarilish potentsialini kuzatdi. Hashimoto va boshqalar. Li4.4Ge x Si1-x (x=0~1.0) seriyasini tayyorlash uchun yuqori energiyali sharli frezalashdan foydalangan. Ular orasida Li4.4Ge0.67Si0.33 eng katta o'ziga xos quvvatni (190 mA·h·g-1) ko'rsatadi va yaxshi zaryad va zaryadsizlanishning qaytarilishiga ega. Park va boshqalar. Li4.4Si qotishmasi, Li4Ti5O12 musbat elektrodi va Li2S-P2S5 elektrolitini to'liq qattiq holatdagi lityum batareyani yig'ish uchun tayyorlash uchun lityum kukuni va kremniy kukunini aralashtirish va maydalash uchun mexanik balli frezalashdan foydalangan. Tadqiqot shuni ko'rsatdiki, Li-Si qotishmasini ikkilamchi balli frezalashdan so'ng batareyaning ishlashi sezilarli darajada yaxshilangan, ya'ni lityum-Si qotishmasining zarracha hajmining qisqarishi lityumning bir xil cho'kishi va tozalanishiga yordam bergan. zaryadlash va tushirish jarayoni.

Lityum qotishma plyonkalari salbiy elektrod interfeysini barqarorlashtirish uchun vosita sifatida ham foydalanish mumkin. Choi va boshqalar. qalinligi 10 mkm bo'lgan Ag va 150 mkm qalinlikdagi Li ni birlashtirish uchun oddiy prokat usulini qo'llagan va keyin Li-Ag qotishma plyonkasini olish uchun tashqaridan bosim o'tkazgan. Ag ning yuqori miqdori sulfid elektrolitlari bilan osongina barqaror interfeys hosil qiladi va lityum dendritlarning o'sishiga to'sqinlik qiladi. Bundan tashqari, Li-Ag qotishmasini hosil qilmaydigan Ag ning qolgan kichik miqdori Li bilan qattiq eritma reaktsiyasida ishtirok etadi, bu esa lityumning notekis o'sishini engillashtiradi. Yig'ilgan to'liq qattiq holatdagi akkumulyator 140 sikl davomida 94,3% quvvatni ushlab turishini ko'rsatdi va shuningdek, 12 C yuqori tezlikda barqaror aylanishi mumkin edi. Kato va boshqalar tadqiqoti. Li/Li3PS4 elektrolitlar interfeysiga Au plyonkasini kiritish dastlabki lityum eritmasidan keyin bo'shliqlar paydo bo'lishining oldini olishi va Li cho'kma joylarini ko'paytirishi mumkinligini aniqladi, bu esa batareyaning qaytarilishini yaxshilashga yordam beradi. Bundan tashqari, Au filmining metall lityumga erishi salbiy elektrod interfeysining elektrokimyoviy ish faoliyatini yaxshilash uchun sabab bo'lishi mumkin. Li/Li3PS4 interfeysiga Au plyonkasi o'rnatilgan Li-simmetrik hujayralar yuqori oqim zichligi (1,3 mA·sm-2) va katta maydon sig'imi (6,5 mA·s·sm-2 bilan barqaror ishlashi mumkin. ) qisqa tutashuvsiz. Yigʻilgan Li/Au/Li3PS4/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 toʻliq qattiq holatdagi akkumulyator 2,4 mA·sm-2 yuqori oqim zichligida 200 martadan ortiq ishlash muddatiga ega.

Silikon anod

Si o'zining o'ta yuqori nazariy o'ziga xos sig'imi (4200 mA·h·g-1), yuqori zahiralari, arzonligi, atrof-muhitga zararsizligi tufayli eng istiqbolli anod materiallaridan biri hisoblanadi. toksik bo'lmagan va past ish potentsiali 0,4 V. Suyuq lityum-ion batareyalarda Si anodlarini qo'llash bo'yicha tadqiqotlar o'ttiz yildan ortiq vaqt davomida ishlab chiqilgan va hali ham juda mashhur. So'nggi paytlarda, barcha qattiq holatdagi lityum batareyalar energiya tadqiqotlari maydoniga kirganligi sababli, yaxshi ishlab chiqilgan silikon texnologiyasini suyuq lityum-ionli akkumulyator tizimlaridan to'liq qattiq holatdagi akkumulyator tizimlariga aylantirish bo'yicha ishlar boshlandi. Biroq, suyuq litiy-ionli batareyalar uchun yuqori sig'imli kremniy anodlarini ishlab chiqish bo'yicha tadqiqotlar bilan solishtirganda, sulfidli to'liq qattiq holatdagi akkumulyatorlarga asoslangan silikon anodlarni qo'llash bo'yicha bir nechta hisobotlar mavjud bo'lsa-da, ko'rsatilgan natijalar hali ham juda muhim. Biroq, Si anodning elektron o'tkazuvchanligi past (1,56×10-3 S·m-1), past litiy ion diffuziya koeffitsienti (10-14-10-13 sm2·S-1) va katta. hajmining kengayishi (Li4. 4Si taxminan 360% ni tashkil qiladi) va boshqa kamchiliklari, bu uning qo'llanilishi doirasini cheklaydi. Si manfiy elektrodning batareyada ishlamay qolishi sababi, odatda, litiyatsiya / delitiatsiya jarayonida Si ning katta hajmdagi kengayishi bilan bog'liq bo'lib, bu chang, yorilish va katta stressni keltirib chiqaradi va bir qator jiddiy halokatli oqibatlarga olib keladi. Masalan: (1) tushirish/zaryadlash vaqtida qayta-qayta maydalash natijasida elektrodning strukturaviy yaxlitligining buzilishi. (2) Interfaal stress tufayli elektrod va oqim kollektori o'rtasidagi uzilish. (3) Lityum ionlari SEI qatlamining uzluksiz shakllanishi-yo'q qilish-islohot qilish jarayonida doimiy ravishda iste'mol qilinadi.

Hozirgi vaqtda barcha qattiq holatdagi lityum batareyalar uchun silikon anodlarni optimallashtirish uchun keng tarqalgan bo'lib foydalaniladigan usullar o'lchamlarni nazorat qilish (nano-kremniy), strukturaviy dizayn, yupqa plyonkali anodlar, qotishma, bosimni qo'llash, ilg'or bog'lovchilar / o'tkazuvchan materiallar (masalan, Si kabi) bilan kompozit anodlarni o'z ichiga oladi. -C anodlar) va boshqalar Sakabe va boshqalar. gözenekli bo'lmagan va g'ovakli amorf kremniy anodlarini tayyorlash uchun magnetronli püskürtme usulini qo'llagan va ularni 80Li2S · 20P2S5 elektrolitlari bilan birlashtirib, aylanish qobiliyati sinovlarini o'tkazgan. 100 sikldan so‘ng 3,00 mkm qalinlikdagi g‘ovaksiz amorf kremniy plyonkasi 10-siklga nisbatan atigi 47% sig‘imni ko‘rsatdi. 4,73 mkm gözenekli amorf kremniy plyonkasi 3000 mA·soat·g-1 gacha bo'lgan litiyalash qobiliyatini ko'rsatadi. 100 tsikldan so'ng, 10-tsiklga nisbatan quvvatni saqlash darajasi 93% dan oshadi. Bu g'ovakli tuzilish batareyaning aylanish barqarorligini samarali yaxshilashi mumkinligini ko'rsatadi. Okuno va boshqalar. gözenekli kremniy kompozit anodni Li3PS4 elektrolitli to'liq qattiq holatdagi akkumulyatorga qo'lladi va 100 tsiklda 90% dan ortiq yuqori quvvatni ushlab turish tezligini ko'rsatdi. Buning sababi shundaki, kremniy zarralaridagi teshiklar litiyatsiya va delitiatsiya paytida katta hajmdagi o'zgarishlarni hal qiladi va tsikl barqarorligini yaxshilaydi. Bundan farqli o'laroq, tijoriy gözenekli bo'lmagan kremniy anodlarining aylanish barqarorligi yomon va 100 tsiklda quvvatni saqlash darajasi atigi 20% yoki undan ham pastroq. Poetke va boshqalar. silikon-uglerodli kompozit bo'sh nanomateriallar barcha qattiq holatdagi lityum-ion batareyalar uchun salbiy elektrodlar sifatida ishlatilgan va Si-C|Li6PS5Cl|NCM to'liq batareyalariga muvaffaqiyatli qo'llanilganligini xabar qildi. Tadqiqotda ishlatiladigan nanostrukturali Si-C kompozitsiyasi kremniy nanozarralari (SiNP) va tashqi uglerod qobig'i o'rtasidagi bo'shliqni ta'minlaydi. Uglerod qobig'i kremniy hajmining o'zgarishini samarali ravishda qoplashi mumkin, yalang'och SiNP bilan solishtirganda elektrokimyoviy ish faoliyatini yaxshilaydi.

So'nggi yillarda akademik hamjamiyat sof kremniy anodlarini tadqiq qilishda bir necha bor yutuqlarga erishdi. 2020da Cangaz va boshqalar. PVD jarayoni bilan tayyorlangan va Li6PS5Cl elektrolitlari va LiNi0.9Co{{90}} bilan birlashtirilgan ustunli kremniy anodini xabar qildi.05Mn0.05O2 katodini tayyorlash uchun yuqori o'ziga xos quvvatga ega (210 mA·soat·g-1) to'liq qattiq holatda batareya. Ustunli kremniy anod 3,5 mA·h·sm-2 yuqori yuk ostida 100 martadan ko'proq barqaror aylantirildi, kulon samaradorligi 99,7% ~ 99,9% gacha. Tsikl davomida ustunli kremniy strukturasi vertikal yo'nalishda lityum anodga o'xshash bir o'lchovli nafas olish effektini ko'rsatadi. Ushbu bir o'lchovli nafas olish ustunli kremniy strukturasining ichki g'ovakliligi va tashqi stack bosimi bilan qoplanishi mumkin, bu esa barqaror ikki o'lchovli SEI hosil qiladi. Shu bilan birga, stack bosimi (20 MPa) ustunli kremniy va oqim kollektorining delaminatsiyasini ham bostiradi. Metall lityum anodlar bilan taqqoslaganda, bu ustunli silikon anod lityum dendritlar, qisqa tutashuvlar va o'lik lityum yo'qotish xavfini yo'q qiladi. 2021 yilda Tan va boshqalar. 99,9,9% (massa) tijorat mikron-sinf sof kremniy Si (m-Si) anod haqida xabar berdi. Salbiy elektrod va Li6PS5Cl elektrolitlari orasidagi interfeys aloqa maydoni zaryadlash va tushirish vaqtida hajmning kengayishi sodir bo'lsa ham, ikki o'lchovli tekislikdir. Biroq, ikki o'lchovli tekislik hali ham saqlanib qoladi va yangi interfeys shakllanmaydi. Lityumlangan m-Si manfiy elektrodidan hosil bo'lgan Li-Si qotishmasi noyob kimyoviy va mexanik xususiyatlarga ega, bu salbiy elektrod va elektrolitlar orasidagi aloqa maydonini oshiradi [8-rasm (a)]. m-Si, Li6PS5Cl elektrolitlari va NCM811 tomonidan yig'ilgan to'liq qattiq holatdagi lityum batareya yuqori sirt oqimi zichligi (5 mA·sm-2) va keng harorat oralig'ida (-20~) barqaror ishlashi mumkin. 80 daraja). U 500 ta barqaror tsikldan so‘ng sig‘imni ushlab turish darajasi 80% va o‘rtacha kulon samaradorligi 99,95% [8(b)-rasm], bu hozirgacha ma’lum qilingan mikro-kremniyli to‘liq qattiq holatdagi batareyalarning eng yaxshi ko‘rsatkichidir. Shuni ta'kidlash kerakki, m-Si anod o'tkazuvchan uglerod materiallarisiz yuqori oqim zichligi aylanish jarayonini boshdan kechiradi va sulfid elektrolitining parchalanishini samarali bostiradi. Bu an'anaviy fikrlashda Si-C kompozit elektrodlarida uglerodning salbiy ta'siri bo'yicha yangi g'oyalarni taqdim etadi. 2022 yilda Cao va boshqalar. sharli frezalash orqali nano-kremniy (nm-Si) zarralari, o'tkazuvchan uglerod va Li6PS5Cl dan tashkil topgan kompozit salbiy elektrodni tayyorladi. Kompozit salbiy elektrod ichidagi yaxshi elektron va ion o'tkazuvchanligiga ega, bu mahalliy oqim zichligini samarali ravishda kamaytirishi va salbiy elektrod yuzasida lityum dendritlarning paydo bo'lishiga to'sqinlik qilishi mumkin. U sol-gel usuli bilan qoplangan yagona kristalli NMC811 katodli material bilan birlashtirilgan. Elektrolit sifatida qalinligi 47 mkm bo'lgan Li6PS5Cl plyonkasidan foydalanib, energiya zichligi 285 Vt·soat·kg-1 gacha bo'lgan qattiq holatdagi lityum batareya olindi. To‘liq batareya 1000 ta barqaror aylanish uchun C/3 haroratda 145 mA·soat·g-1 yuqori sig‘imga erishdi. Kompozit kremniy anod keng ko'lamli ishlab chiqarish istiqbollarini ko'rsatadi, xarajatlarni sezilarli darajada kamaytiradi va barcha qattiq holatdagi lityum batareyalarni tijoratlashtirish yo'nalishini ta'minlaydi. Tanning salbiy elektrod dizayni kontseptsiyasidan farqli o'laroq, bu kompozit salbiy elektrod nafaqat elektrolitlar, balki uglerod o'tkazuvchi vositani ham qo'shadi. Sababi, m-Si bilan solishtirganda, nm-Si sirt maydoni kattaroq, kremniy anodida ko'proq chegaralar mavjud va odatda nm-Si yuzasida SiO qatlami mavjud. Shuning uchun elektr o'tkazuvchanligi odatda m-Si dan 3 daraja past bo'lib, bu zaryad va zaryadsizlanish vaqtida elektron o'tkazuvchanligiga to'sqinlik qiladi. Tajribalar shuni ko'rsatadiki, bu nm-Si anodidan litiyni olib tashlash jarayonida elektrolitlar faqat ozgina parchalanadi va litiy dendritlari hosil bo'lmaydi. Yuqoridagi tizimga asoslanib, Cao va boshqalar. bipolyar stek dizayni bilan batareya arxitekturasini taklif qildi. Yagona hujayralar nofaol materiallardan foydalanishni kamaytirish uchun oqim kollektori orqali ketma-ket ulanadi va shu bilan yuqori energiya zichligiga erishiladi. Aniqroq aytganda, LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2, Li6PS5Cl va nm-Si interfeysi barqaror monokristallardan tayyorlangan ikki qavatli stacked toʻliq qattiq holatdagi lityum batareya mos ravishda musbat elektrod, elektrolit va manfiy elektrod boʻlib xizmat qiladi. yuqori kuchlanish 8,2 V. Batareya darajasidagi energiya zichligi 204 Vt·soat·kg-1 ni tashkil qiladi, bu bitta batareyaning 189 Vt·soat·kg-1 quvvatidan yuqori. Ushbu bipolyar stacked dizayn butun qattiq holatdagi batareyalar maydoni uchun yaxshi mos yozuvlar ahamiyatga ega.

8-rasm ASSLB-larda µ-Si anod va Li6PS5Cl o‘rtasidagi interfaal xarakteristikalar va aylanish ko‘rsatkichlari

1-jadvalda sulfidli qattiq elektrolit/anod interfeysi yechimlari va tegishli afzalliklar va kamchiliklar keltirilgan.

1-jadval Anodlar va sulfidga asoslangan qattiq elektrolitlar o'rtasidagi interfaol muammolarni hal qilish strategiyalari

Boshqa anodlar

Kumush uglerod salbiy elektrod

Li va boshqalar. kumush-uglerodli (Ag/C) interlayer yordamida to'liq qattiq holatdagi akkumulyator dizayni haqida xabar berdi [9(a)-rasm]. Ushbu qatlamlararo dizayn lityum cho'kma jarayonini samarali tartibga soladi va Ag / C qatlami va oqim kollektori o'rtasida yuqori darajada qaytariladigan lityum cho'kma va tozalash hodisalari kuzatiladi. Ular orasida C Li6PS5Cl elektrolitini yotqizilgan metall lityumdan ajratish uchun ishlatiladi, bu nafaqat elektrolitning kamayishiga yo'l qo'ymaydi, balki lityum dendritlarning paydo bo'lishini ham oldini oladi. Ag Ag-Li qotishmasini hosil qilish uchun metall lityumning yadrolanish energiyasini kamaytirishi mumkin. Ag ning bir qismi tok kollektorining yuzasiga o'tib, metall litiy bilan qattiq eritma hosil qiladi va lityumning bir xil cho'kishiga yordam beradi. Chiqarishdan keyin metall lityum qatlami butunlay eriydi, Ag esa oqim kollektori va Ag-C qatlami o'rtasida qoladi. Ushbu dizayn velosipedda metall lityumning hajmini o'zgartirishi, lityum anodning mahalliy oqim zichligini kamaytirishi va tsiklning barqarorligini yaxshilashi mumkin. 9(b)-rasmda ko'rsatilganidek, yig'ilgan sumka batareyasi (0.6 A·h) 60 darajada yuqori energiya zichligini (900 Vt·h·L-1 dan ortiq) ko'rsatadi. Barqaror kulon samaradorligi 99,8% dan oshadi. Uzoq aylanish muddati (1000 tsikl). U butun qattiq holatdagi lityum batareyalarni tijorat maqsadlarida qo'llash uchun yangi g'oyalarni taqdim etadi.

9-rasm Ag-C anodidan foydalanilgan sulfid asosidagi ASSLBlar uchun tuzilma va aylanish samaradorligi

Grafit

Lityum-ion batareyalar uchun turli xil interkalatsiyalangan anodli materiallar orasida grafit arzonligi, katta zahiralari va uzoq umr ko'rish muddati tufayli tijorat jihatdan eng muvaffaqiyatli materialdir. Biroq, barcha qattiq holatdagi akkumulyatorlar sohasida grafit cheklangan nazariy sig'imi tufayli salbiy elektrod materiallarini tanlash markaziga aylanmadi. Dastlabki hisobotlarda grafit ko'pincha yangi sintez qilingan sulfidli qattiq elektrolitlar uchun anod materiali sifatida ishlatilgan. Keyinchalik tadqiqotlar elektrodlarni loyihalash va ishlab chiqarishni optimallashtirish uchun sulfidli ASSLBlarda grafitning asosiy ish mexanizmiga e'tibor qaratdi. Grafit ko'pincha so'nggi tadqiqotlarda yuqori energiyali anod materiallari uchun asos sifatida ishlatiladi, bu strukturaning yaxlitligi va elektr o'tkazuvchanligini ta'minlaydi. Biroq, lityum va kremniy kabi boshqa joriy salbiy elektrodlar hali ham yuqori narx, katta hajmli kengayish tezligi va beqaror tsikl kabi muammolarga ega. Shu sababli, grafit, arzon narxlardagi, katta zahiralarga ega, yuqori darajadagi tijoratlashtirish va yuqori barqarorlikka ega bo'lgan material sifatida, dastlabki bosqichlarda barcha qattiq holatdagi akkumulyatorlarni ishlab chiqarish jarayonida muhim rol o'ynashi mumkin. Grafitning mavjud quvvatini doimiy ravishda optimallashtirish zarur.

Joriy kollektorni oldindan tozalash

Anodsiz lityum-ion batareyalar to'g'ridan-to'g'ri batareya bilan to'g'ridan-to'g'ri tok kollektorini ortiqcha litiy qo'shmasdan yig'adi, bu erda metall lityum birinchi zaryadlanish davrida to'liq litiylangan katod qoplamasidan oqim kollektoridagi litiy ionlarining kamayishi natijasida hosil bo'ladi. Ushbu kontseptsiya lityum-ion batareyalar sohasida keng o'rganilgan va ba'zi jamoalar ushbu dizaynni barcha qattiq holatdagi lityum batareyalarga kengaytirdilar. Gu va boshqalar. zanglamaydigan po'latdan yasalgan tok kollektorining (SSCC) sirtini turli darajada chizib, uni Li5.5PS4.5Cl1.5 qattiq elektrolit bilan moslashtirdi va assimetrik batareya konfiguratsiyasi (litiy folga|zanglamaydigan po'latdan yasalgan folga) yordamida elektrostatik aylanishni o'tkazdi. Tajriba natijalari shuni ko'rsatadiki, turli xil SSCC pürüzlülüğü batareyaning ishlashiga ko'proq ta'sir qiladi. 180 nm pürüzlülükli SSCClar bilan yig'ilgan to'liq qattiq holatdagi batareyalar faqat 20 nm pürüzlü batareyalarga qaraganda yaxshiroq elektrokimyoviy aylanish ko'rsatkichlariga ega. Buning sababi qo'pol sirt elektrolitlar va oqim kollektori o'rtasidagi aloqa nuqtalarini ko'paytiradi, bir nechta reaktsiya nuqtalarini ta'minlaydi va interfeysda lityumning bir xil cho'kishiga imkon beradi. Biroq, sirt pürüzlülüğü 500 nm dan oshganda, juda qo'pol sirt litiy ionlarining oqim kollektorining o'yilgan pastki qismidagi cheklangan aloqa nuqtalariga zo'rg'a etib borishiga olib keladi. Bu lityum yog'inlarini kamaytiradi va yomonroq ishlashni ko'rsatadi. Suyuq batareyalarda bu hodisa sodir bo'lmaydi. Bu shuni ko'rsatadiki, qattiq elektrolit va oqim kollektori o'rtasidagi o'zaro ta'sir suyuq elektrolitdan sezilarli darajada farq qiladi. Salbiy elektrodsiz to'liq qattiq holatdagi batareyaning joriy kollektor dizaynini amalga oshirishdan oldin asosiy ish mexanizmi va xususiyatlarini yanada o'rganish kerak.

Xulosa va istiqbol

Yuqori ionli o'tkazuvchanlikka ega LGPS paydo bo'lishi bilan sulfidli qattiq holatdagi lityum-ion batareyalar bo'yicha tadqiqotlar sezilarli darajada oshdi. Ular orasida anod materiallarini tanlash va interfeys muammolarini hal qilish tadqiqotning asosiy yo'nalishlaridan biriga aylandi. Ko'pgina olimlar lityum anod / sulfid elektrolitlari interfeysi bo'yicha tadqiqot jarayonini har tomonlama umumlashtirdilar. Ushbu maqola metall lityum, litiy qotishmalari va kremniy anodlari kabi sulfid elektrolitlariga asoslangan qattiq holatdagi lityum batareyalar uchun asosiy anod materiallarining tizimli ko'rinishini taqdim etadi. Lityum anod va sulfid elektrolitlari o'rtasidagi interfeys muammosi taklif qilindi va interfeys xususiyatlarini yaxshilash uchun umumiy strategiyalar umumlashtirildi. Hozirgi vaqtda barcha qattiq holatdagi lityum-ion batareyalar hali ham tijorat maqsadlarida qo'llanilishidan uzoqdir va to'liq asosiy nazariy tadqiqotlar va texnik yordamga ega emas. Shunday ekan, keyingi tadqiqotlarda quyidagi masalalarga hali ham e’tibor qaratish lozim.

(1) Lityum qotishma anodlar mukammal lityum saqlash qobiliyatiga va barqaror ishlashga ega va lityum anod dendritining o'sishi va qisqa tutashuvini hal qilishda katta salohiyatga ega, yuqori energiya zichligi va uzoq muddatli barqaror barcha qattiq holatdagi lityum batareyalarga erishish. To'liq qattiq batareyalar sohasida, qattiq-qattiq interfeysning aloqa xususiyatlaridan kelib chiqqan holda, qotishma materiallar va suyuq elektrolitlar reaktsiyasi natijasida yuzaga keladigan takroriy SEI hosil qilish muammosini hal qilish mumkin. Qotishma anodlarini yaxshiroq qo'llash uchun qattiq holatdagi akkumulyatorlarda qotishma anodlarning kimyosi, elektrokimyosi, mexanik xususiyatlari va ish mexanizmini tushunishni oshirish bo'yicha asosiy va amaliy ishlarni bajarish kerak, shuning uchun yuqori quvvatga bo'lgan talabni qondirish kerak. quvvati, uzoq muddatli barqaror qattiq batareyalar. .

(2) Silikon anodlar barcha qattiq holatdagi lityum-ion batareyalarning energiya zichligini maksimal darajada oshirishi mumkin. Biroq, kremniy past elektron o'tkazuvchanlikka ega bo'lganligi sababli, tez-tez ishlatiladigan uglerod o'tkazuvchan moddalar sulfid elektrolitlarining parchalanishini tezlashtiradi. Kremniy anodining tarkibi parametrlarini elektrodning o'tkazuvchanlik yo'liga ta'sir qilmasligi va sulfid elektrolitining parchalanishiga olib kelmasligi uchun qanday tartibga solish kremniy anodini tayyorlash jarayoni oldida turgan asosiy muammodir. Bu, shuningdek, sulfidli qattiq batareyalarda silikon anodlarni keng ko'lamli sanoatlashtirish uchun texnik to'siqdir.

(3) Kichik zahiralar va metall lityumning yuqori narxi muammolari ham haqiqiy tijorat ilovalarida e'tiborga olinishi kerak. Metall lityum anod lityum qoplama jarayoni uchun foydali bo'lsa-da, elektrokimyoviy reaktsiya lityum qoplamaga erishish uchun zaruriy komponent emas. Lityum metalldan foydalanish shartlari juda og'ir va lityum batareyalarni ommaviy ishlab chiqarish katta xavfsizlik xavfini keltirib chiqaradi. Shu sababli, xarajatlarni kamaytirish, xavfsizlikni yaxshilash va yakuniy tijoratlashtirishga erishish uchun lityum anodlarsiz barcha qattiq holatdagi lityum batareyalarni ishlab chiqish tadqiqot yo'nalishi hisoblanadi. Misol uchun, Ag-C kompozit elektrodi bo'yicha tadqiqotlar keyingi ish uchun yaxshi fikr beradi. Bundan tashqari, oqim kollektorlarining asosiy ish mexanizmi va xususiyatlari, shuningdek, salbiy elektrodlarsiz yuqori samarali barcha qattiq holatdagi batareyalarni olish uchun oqim kollektorlarini maqsadli tarzda oldindan davolash uchun qo'shimcha tadqiqotlarni talab qiladi.

To'liq qattiq batareyalar sohasida salbiy elektrod materiallarini ishlab chiqish hali uzoq yo'lni bosib o'tishga majbur. Tadqiqotlarning chuqurlashishi bilan yuqori energiyali salbiy elektrodlarga asoslangan barcha qattiq holatdagi akkumulyatorlar ikkilamchi batareyalar sohasida o'zlarining noyob afzalliklarini albatta ko'rsatadi.