고에너지 밀도 및 안정적인 플렉서블 리튬메탈전지 구현을 위한 무팽창 리튬 복합 음극 구축
고에너지 밀도 및 안정적인 플렉서블 리튬메탈전지 구현을 위한 무팽창 리튬 복합 음극 구축
저자 정보 및 기사 추상
2022년 SUSTech의 덩 용홍 연구 그룹은 홍콩 폴리테크닉 대학교 정 지젠 교수팀(제1저자: 남부 지방 사투리 대학교 ~의 과학 그리고 기술 박사 과정 학생 루오 차오)과 협력하여 롤투롤 방식을 개발했습니다. 부피 팽창이 없는 리튬 복합 양극을 준비하여 리튬 금속 에너지 밀도와 배터리의 구부릴 수 있는 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 음극은 상부에 전자절연층, 하부에 친유성층, 중앙에 부피팽창을 흡수하는 다공성층이 배치된 샌드위치 구조로 되어 있다. 저자는 NCM과 LCO 양극을 매칭해 리튬금속전지의 뛰어난 유연성과 에너지를 더욱 검증했다. 밀도 및 주기 유지와 같은 특성.
그림 1. 부피 팽창이 없는 양극의 리튬 삽입의 개략도
테스트 계획
1. 리튬 복합 양극 및 리튬 금속 완전 배터리를 구성합니다.
2. 구조적 특성화: 형태학적 특성화 FE-SEM, 표면 화학 구조 XPS, 팽윤 거동 SWE2100(IEST).
3. 전기화학적 성능 특성화: 추론 및 소프트 팩의 사이클 성능.
4. 기계적 성능 특성화: 전극 및 파우치 셀의 굽힘 성능.
결과 분석
수치 2. 부피 팽창이 없는 리 금속 음극의 설계 원리 및 부피 팽창 거동
저자들은 구리 코팅 탄소섬유 매트릭스(CuCM)와 초박형 LiMg 합금 시트가 결합된 전자 절연 다공성 필름(EI 필름)을 압연 공정을 통해 중공 복합 리튬 금속 음극을 제조했다. 복합재료의 형태를 SEM과 원소 매핑으로 관찰하여 샌드위치 구조의 리튬 복합 음극이 성공적으로 제조되었음을 확인하였다. 복합재의 제로 부피 팽창 특성을 입증하기 위해 저자는 현장 팽창 두께 및 팽창력 테스트 방법을 사용하여 리-에게-NCM811 단일층 배터리를 조립했으며, 제로VE-Li와 명확하게 비교할 수 있습니다. 양극은 충방전 사이클 동안 두께가 거의 없다. 또는 응력의 팽창으로 인해 복합재의 팽창에 대한 저항력이 우수함을 보여줍니다.
그림 3. 부피 팽창이 없는 리튬 금속 음극의 SEI 및 사이클 안정성 분석
새로운 리튬 금속 음극의 상부 절연 기능층에 의해 초래된 리튬 금속 계면의 변화는 XPS를 통해 특징지어졌으며, 이는 SEI가 리튬 수지상 결정에 대한 최고의 억제 효과를 갖는 무기층 Li3N 및 LiF를 포함하고 있음을 입증했습니다. 그리고 양극이 각각 NCM811과 LCO인 두 종류의 배터리를 조립함으로써 제로VE-Li를 음극으로 사용할 때 셀의 사이클 용량 유지율이 가장 높은 것을 명확하게 비교할 수 있습니다.
그림 4. 단일층 리튬 금속 풀셀의 전기화학적, 기계적 안정성
저자는 동적 굽힘 및 저항 테스트를 통해 4000번의 굽힘 실험 후에도 제로VE Li의 저항 및 형태가 크게 변하지 않아 우수한 유연성을 나타냄을 확인했습니다. 제로VE 리 전극은 표면 부하가 높은 유연한 양극과 매칭되어 유연한 배터리를 조립했습니다. 전기화학적 사이클 안정성과 기계적 안정성 측면에서 제로 부피 팽창 음극은 높은 쿨롱 효율, 높은 사이클 용량 유지율 및 우수한 굽힘성을 나타냈습니다.
그림 5. 다층 리튬금속 풀셀의 전기화학적, 기계적 안정성
저자는 계속해서 양면 무팽창 양극을 준비하고 있으며 상용 양극 재료보다 질량 비용량이 더 높다는 사실을 발견했습니다. 조립된 다층 유연한 리튬 금속 배터리는 높은 중량 에너지 밀도와 체적 에너지 밀도를 가지며 3000사이클의 굽힘 테스트 후에도 여전히 75%의 용량 유지를 유지할 수 있습니다. 다른 관련 문헌에서 유연 리튬 기반 배터리의 에너지 밀도 값을 비교한 결과, 이번 연구에서 개발된 무팽창 리튬 복합 음극을 기반으로 하는 유연 리튬 금속 완전 배터리는 매우 높은 표면 에너지 밀도(22.7 밀리와트 센티미터-2)를 가지며, 실제 부피 에너지 밀도(375Wh L-1, 양극 및 음극, 다이어프램 및 포장 재료의 부피 기준) 및 기록적인 유연한 품질 계수(FOM, 45.6).
요약하다
본 논문에서는 전기화학적 성능과 기계적 유연성이 우수하고, 리튬금속전지의 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 부피 팽창이 없는 리튬 복합 음극을 합성하기 위한 롤투롤(롤-에게-롤) 방식을 개발하였다. 음극은 샌드위치 구조로 상단에는 전자절연층, 하단에는 친유성층, 중앙에는 부피팽창을 흡수하는 다공성층이 배치된다. 저자는 NCM과 LCO 양극을 매칭함으로써 해당 플렉서블 리튬금속전지의 우수한 유연성과 에너지 밀도, 사이클 유지율 등의 특성을 더욱 검증했다. 제로 볼륨 확장 설계는 리튬 금속 배터리의 실제 적용에 대한 새로운 아이디어를 제공합니다. 롤투롤(롤-에게-롤) 제조 공정은 대규모 생산 가능성도 보여줍니다. 원칙적으로 이 제로 볼륨 확장 설계는 에너지 밀도, 사이클링 및 구조적 안정성을 향상시키기 위해 다른 금속 배터리 양극(예: 나트륨, 칼륨 및 아연 금속 배터리 등)을 구성하는 데에도 적용할 수 있습니다.
원본 문서
차오 루오, 홍 후, 티안 장, 슈징 웬, 루오 왕, 옌안 안, 샹-센 치, 준 왕, 조양 왕, 지안 장*, 지젠 정* 및 용홍 덩*. Ze의 롤투롤 제작고에너지 밀도 유연하고 안정적인 리튬 금속 배터리를 구현하는 로-용량-확장 리튬 복합 양극. 첨단재료,도이.조직/10.1002/아드마.202205677.
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스웨덴 시리즈 현장 팽창 시스템(IEST): 고정밀 두께 측정 센서가 장착된 매우 안정적이고 신뢰할 수 있는 자동화 플랫폼을 사용하여 전기 코어의 전체 전하 방전 과정의 두께 변화 및 변화율을 측정할 수 있습니다. 다음 기능을 달성할 수 있습니다:
1. 일정한 압력 하에서 배터리 팽창 두께 곡선을 테스트합니다.
2. 일정한 간격의 조건에서 배터리 팽창력 곡선을 테스트합니다.
3.배터리 압축 성능 테스트: 응력-변형률 곡선 압축 계수.d
4. 배터리 팽창력을 단계별로 테스트합니다.
5. 다양한 온도 조절: - 20~80 ℃.
