การใช้ฟอยล์ทองแดงเคลือบคาร์บอน-ที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของภาคส่วนยานยนต์พลังงานใหม่ ความต้องการความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนทุติยภูมิก็เพิ่มขึ้น การปรับปรุงพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่ไม่เพียงแต่เป็นประโยชน์ต่อระยะการขับขี่ของยานพาหนะไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังอาจบรรเทาความท้าทายในปัจจุบันเรื่องต้นทุนสูงได้อย่างมาก เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การรวมกันของ-แคโทดนิกเกิลสูงกับซิลิคอน-แอโนดคาร์บอนจึงกลายเป็นโครงร่างมาตรฐานสำหรับการพัฒนา-แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความหนาแน่นสูง-พลังงานสูง-รุ่นถัดไป อย่างไรก็ตาม ซิลิคอนมีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรอย่างมีนัยสำคัญในระหว่างรอบประจุและคายประจุ ซึ่งนำไปสู่การบดอัดของอนุภาควัสดุออกฤทธิ์ การสูญเสียจุดสัมผัสกับสารนำไฟฟ้า และแม้กระทั่งการหลุดออกจากตัวสะสมปัจจุบัน ส่งผลให้ความจุลดลงอย่างรวดเร็วและวงจรชีวิตสั้นลงสำหรับซิลิคอน-แอโนดคาร์บอน ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน

การพัฒนาวัสดุซิลิคอน-คาร์บอนแอโนดมีการมุ่งเน้นมานานแล้วในการวิจัยแบตเตอรี่ลิเธียม- โดยเน้นไปที่การปรับให้เหมาะสมและปรับเปลี่ยนตัววัสดุเป็นหลัก ซึ่งรวมถึงการปรับขนาดอนุภาคและโครงสร้างของวัสดุซิลิกอนให้เหมาะสม ตลอดจนโครงสร้างและวิธีการผสมคาร์บอนของซิลิคอน- เพื่อให้บรรลุถึงการประยุกต์ใช้ซิลิคอน-วัสดุแอโนดคาร์บอนได้จริง การเพิ่มประสิทธิภาพระหว่างอิเล็กโทรดและแม้กระทั่งการออกแบบแบตเตอรี่และกระบวนการผลิตก็ได้รับความสนใจและการวิจัยเพิ่มมากขึ้น ตัวอย่างรวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพของสารนำไฟฟ้า สารยึดเกาะที่ใช้ในกระบวนการสารละลาย ความหนาแน่นของพื้นที่เคลือบ ความหนาแน่นของการบดอัด องค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ และกระบวนการก่อตัว

เนื่องจากเป็นองค์ประกอบสำคัญของอิเล็กโทรด ฟอยล์ทองแดงจึงรองรับวัสดุแอคทีฟของอิเล็กโทรดลบในขณะที่รวบรวมอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นและนำไปยังวงจรภายนอกเพื่อสร้างกระแส หากการยึดเกาะระหว่างวัสดุออกฤทธิ์และฟอยล์ทองแดงไม่เพียงพอ อนุภาคคาร์บอนของซิลิคอน-สามารถหลุดออกจากฟอยล์ทองแดงได้อย่างง่ายดายในระหว่างการปั่นจักรยานเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรมาก ส่งผลให้ประสิทธิภาพของวงจรไม่ดี เพื่อปรับปรุงอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ การศึกษานี้จึงใช้ฟอยล์ทองแดงที่เคลือบด้วยชั้นคาร์บอนนำไฟฟ้าเพื่อจ่ายไฟให้กับแบตเตอรี่ เมื่อใช้กระบวนการเรียงซ้อน เซลล์กำลังแบบถุงขนาด 9.5 Ah ได้รับการผลิตด้วยวัสดุแบบไตรภาคเป็นแคโทด และคอมโพสิตคาร์บอนซิลิคอนออกไซด์-เป็นแอโนด มีการตรวจสอบผลกระทบของฟอยล์ทองแดงเคลือบคาร์บอน-เมื่อเปรียบเทียบกับฟอยล์ทองแดงเรียบสองด้าน-ทั่วไปต่อความสามารถด้านอัตรา ประสิทธิภาพอุณหภูมิสูง/ต่ำ- และประสิทธิภาพวงจรของเซลล์ได้รับการตรวจสอบ

ในการทดลองของเรา เราใช้ฟอยล์ทองแดงเคลือบคาร์บอน-โดยใช้ฟอยล์เปลือย เคลือบทั้งสองด้านด้วยคาร์บอนนำไฟฟ้าและสารยึดเกาะเรซิน สิ่งนี้ทำหน้าที่เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าของตัวสะสมกระแสไฟฟ้า ทำให้มั่นใจได้ถึงความต้านทานการสัมผัสที่ดี ขณะเดียวกันก็เพิ่มการยึดเกาะระหว่างวัสดุออกฤทธิ์และตัวสะสมกระแสไฟฟ้าไปพร้อมๆ กัน จึงช่วยปรับปรุงอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ภาพ SEM ของฟอยล์ทองแดงเรียบสอง-ด้าน ฟอยล์ทองแดงเคลือบคาร์บอน- และแผ่นอิเล็กโทรดเผยให้เห็นว่าพื้นผิวฟอยล์ทองแดงเรียบสอง-ด้านนั้นเรียบ อนุภาคคาร์บอนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าบนพื้นผิวของฟอยล์ทองแดงที่เคลือบคาร์บอน-มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาคประมาณ 15-20 นาโนเมตร โดยมีโครงสร้างคล้ายทรงกลม-ยึดติดกันด้วยกาวเรซิน พื้นผิวหลวมและมีรูพรุน ช่วยเพิ่มการยึดเกาะของวัสดุออกฤทธิ์กับตัวสะสมปัจจุบันได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ พื้นที่สัมผัสระหว่างวัสดุออกฤทธิ์และตัวสะสมกระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น ซึ่งช่วยลดความต้านทานการสัมผัสของแผ่นอิเล็กโทรด การสังเกตพื้นผิวและโครงสร้างหน้าตัด-ของแผ่นแอโนด SiO-C แสดงการกระจายตัวของอนุภาคสม่ำเสมอ โดยที่อนุภาคยังคงสภาพเดิมโดยไม่แตกหักภายใต้ความหนาแน่นของการบดอัดที่ 1.6 กรัม/ซีซี

พารามิเตอร์พื้นฐานของแผ่นอิเล็กโทรดเชิงลบที่ผลิตโดยใช้ฟอยล์ทองแดงที่แตกต่างกันบ่งชี้ว่าความแข็งแรงการลอกของแผ่นที่ใช้ฟอยล์ทองแดงเคลือบคาร์บอน-นั้นเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับการใช้ฟอยล์ทองแดงเรียบสอง- ด้าน ในขณะที่ความต้านทานของแผ่นอิเล็กโทรดลดลง นี่แสดงให้เห็นว่าชั้นเคลือบคาร์บอนสามารถเพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างวัสดุออกฤทธิ์และตัวสะสมกระแสไฟฟ้า ปรับปรุงค่าการนำไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ของแผ่นอิเล็กโทรด และลดความต้านทานการสัมผัสระหว่างวัสดุออกฤทธิ์และตัวสะสมกระแสไฟฟ้า นอกจากนี้ ชั้นคาร์บอนที่มีสารยึดเกาะเรซินยังทำหน้าที่เป็นชั้นเปลี่ยนผ่าน ซึ่งช่วยเสริมสร้างพันธะระหว่างวัสดุออกฤทธิ์และตัวสะสมกระแสไฟฟ้า

ข้อมูลประสิทธิภาพเคมีไฟฟ้าบางส่วนของเซลล์ถุง 9.5 Ah ที่สร้างด้วยฟอยล์ทองแดงที่แตกต่างกัน รวมถึง-แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด ความต้านทานภายใน AC ความจุที่ผันกลับได้ ประสิทธิภาพการคายประจุเริ่มต้น- และการใช้ความจุจำเพาะของแคโทด ได้มาจากการหาค่าเฉลี่ยการวัดจากจุดตัวอย่าง 10 จุด การเปรียบเทียบแสดงให้เห็นว่าความต้านทานภายใน AC ของเซลล์ที่ใช้ฟอยล์ทองแดงเคลือบคาร์บอน-นั้นต่ำกว่าความต้านทานภายในของเซลล์ที่ใช้ฟอยล์ทองแดงเรียบ-สองด้าน สาเหตุหลักมาจากแผ่นอิเล็กโทรดที่ทำด้วยฟอยล์ทองแดงเคลือบคาร์บอน-มีความต้านทานต่ำกว่า จึงลดความต้านทานการสัมผัสโดยรวมของเซลล์ การใช้กำลังการผลิตจำเพาะของเซลล์ที่ใช้ฟอยล์ทองแดงเคลือบคาร์บอน-นั้นต่ำกว่าเล็กน้อย (0.5 mAh/g) เมื่อเทียบกับเซลล์ที่ใช้ฟอยล์ทองแดงเรียบสองด้าน-เล็กน้อย อาจเกิดจากการใช้สารเคลือบคาร์บอนซึ่งทำให้เกิดการแทรกซึมของลิเธียม{14}}ไอออนเล็กน้อย ซึ่งใช้ลิเธียมไอออนบางส่วน และเพิ่มความจุของเซลล์ที่ไม่สามารถเปลี่ยนกลับคืนสภาพเดิมได้

เส้นโค้งการคายประจุของเซลล์ของถุงที่ประกอบกับฟอยล์ทองแดงทั้งสองประเภทในอัตราที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิห้องแสดงให้เห็นว่าเมื่ออัตราการคายประจุเพิ่มขึ้น พื้นที่ราบสูงการคายประจุของเซลล์ทั้งสองประเภทจะลดลง และความสามารถในการคายประจุจะค่อยๆ ลดลง จุดเปลี่ยนเว้าของการหยดที่มีนัยสำคัญจะปรากฏขึ้นเมื่ออัตราการคายประจุถึง 4C สาเหตุหลักมาจากเนื่องจากกระแสคายประจุที่เพิ่มขึ้น ลิเธียมไอออนหลังจากปล่อยอิเล็กตรอน ไม่สามารถออกจากขั้วบวกและแพร่กระจายเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ได้ในทันที ทำให้เกิดการไล่ระดับความเข้มข้นของลิเธียม-ไอออนอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งนี้จะเพิ่มศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดที่จำเป็นสำหรับลิเธียมไอออนเพื่อกลับไปยังแคโทด ส่งผลให้แรงดันภายในเซลล์เพิ่มขึ้น และผลที่ตามมาคือระดับการปล่อยประจุลดลง เมื่อเปรียบเทียบเส้นโค้งอัตราการคายประจุที่กล่าวมาข้างต้นและอัตราการกักความสามารถในการคายประจุในอัตราที่ต่างกัน พื้นที่ราบการคายประจุของเซลล์ทั้งสองชนิดจะเหมือนกันในอัตราเดียวกันโดยพื้นฐานแล้ว ในอัตราที่ต่ำ (<3C), the discharge capacity retention rates of the two cell types largely overlap. When the discharge rate increases to 4C and 5C, the discharge capacity retention rate of the carbon-coated copper foil cell is slightly higher than that of the double-sided smooth copper foil cell. This is primarily related to the carbon coating enhancing the conductivity of the cell and reducing contact resistance.

เส้นโค้งวงจรของเซลล์ถุงที่ประกอบขึ้นด้วยฟอยล์ทองแดงสองประเภทภายใต้สภาวะการปล่อยประจุ 1C/1C-ที่อุณหภูมิห้องแสดงให้เห็นว่าหลังจาก 300 รอบ อัตราการเก็บรักษาความจุเป็น 89.5% สำหรับเซลล์ฟอยล์ทองแดงที่เคลือบคาร์บอน- เทียบกับ 84.2% สำหรับเซลล์ฟอยล์ทองแดงเรียบสองด้าน- ความเสถียรของวงจรของเซลล์ฟอยล์ทองแดงที่เคลือบคาร์บอน-ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับเซลล์ฟอยล์ทองแดงเรียบสองด้าน- ประโยชน์นี้เกิดจากสองประเด็นหลัก: ประการแรก ชั้นคาร์บอนนำไฟฟ้าที่เคลือบบนพื้นผิวฟอยล์ทองแดงจะเพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างวัสดุออกฤทธิ์และฟอยล์ทองแดง และโครงสร้างพื้นผิวที่มีรูพรุนให้พื้นที่สัมผัสมากขึ้นสำหรับวัสดุออกฤทธิ์ ช่วยเพิ่มปฏิสัมพันธ์กับตัวสะสมปัจจุบัน ประการที่สอง การมีสารยึดเกาะเรซินในการเคลือบคาร์บอนช่วยเพิ่มการยึดเกาะระหว่างวัสดุออกฤทธิ์และฟอยล์ทองแดงให้แข็งแกร่งยิ่งขึ้น วิธีนี้จะระงับปรากฏการณ์ของการบดวัสดุที่ใช้งานอยู่ในขั้วบวกที่มีซิลิคอน-ได้อย่างมาก ซึ่งเกิดจากอัตราการขยายตัวขนาดใหญ่ของอนุภาคหลังจากหลายรอบ ดังนั้นจึงช่วยยืดอายุวงจรของแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

(1) เพิ่มความแข็งแรงการลอกของแผ่นอิเล็กโทรดแอโนด SiO-C ในขณะที่ลดความต้านทานลง
(2) ปรับปรุงประสิทธิภาพอุณหภูมิสูง/ต่ำ-และความสามารถด้านอัตรา แต่ไม่มากนัก
(3) เพิ่มประสิทธิภาพวงจรของแบตเตอรี่ที่ใช้ซิลิคอน-อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อเปรียบเทียบกับฟอยล์ทองแดงเรียบสองด้าน- อัตราการรักษาความจุหลังจาก 300 รอบที่อัตราการชาร์จ/คายประจุ 1C ดีขึ้น 5.2%

อ้างอิง

โครงสร้างพื้นฐานความรู้แห่งชาติจีน (CNKI)
การวิจัยและการประยุกต์ใช้ฟอยล์ทองแดงเคลือบคาร์บอนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน-ที่ใช้ซิลิกอน-
สถาบันวิจัยเทคโนโลยีอุตสาหกรรมเคมีถ่านหินมณฑลส่านซี จำกัด
เสิ่น เสี่ยวหุย