높은 에너지 밀도를 달성하기 위한 리튬 복합 양극의 영 용량 부종 구축

문헌 감상: 리튬 복합 양극의 제로 부피 팽윤을 구축하여 고에너지 밀도의 안정적인 유연한 리튬 금속 배터리 달성

저자 정보 및 기사 요약

2022년 남방과학기술대학교 덩융훙 연구그룹은 홍콩이공대학교 정쯔젠 교수(제1저자: 뤄차오, 남방과학기술대학교 박사과정 학생)와 협력하여 롤러 대 롤러 방식을 개발했다. 리튬 금속 배터리의 에너지 밀도와 유연한 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있는 제로 볼륨 확장 리튬 복합 음극을 준비합니다. 음극은 상부 전자 절연층, 하부의 리튬 친화층 및 중간의 다공성 층을 포함하는 샌드위치 구조를 가지고 있습니다. 저자는 NCM과 LCO 양극을 매칭하여 리튬 금속 전지의 우수한 유연성, 에너지 밀도 및 사이클 유지율을 추가로 확인했습니다.

그림 1. 리튬 임베딩이 있는 제로 볼륨 확장 애노드의 개략도

테스트 프로그램

1. 리튬 복합 양극 및 리튬 금속 전체 배터리를 구축하십시오.

2. 구조적 특성화: FE-SEM의 형태학적 특성화, 표면 화학 구조, XPS 및 팽윤 거동, SWE2100(IEST).

3. 전기화학적 성능 특성화: 전기 버클 및 소프트 패키지의 사이클 성능.

4. 기계적 성능 특성화: 전극 및 파우치 전지의 굽힘 성능.

결과 해석

그림 2. 부피가 0인 리튬 금속 음극의 설계 원리 및 부피 팽윤 거동부종

Cu 코팅된 탄소 섬유 매트릭스(Cu 센티미터)와 초박형 리 마그네슘 합금 시트를 결합한 전자 절연 다공성 필름(에이필름)을 사용하여 저자는 중공 복합 리튬 금속 양극을 준비했습니다. 샌드위치 구조의 리튬 복합 음극의 성공적인 제조는 SEM과 원소 매핑도를 통해 확인하였다. 제로 볼륨을 시연하기 위해부종이 복합 재료의 특성에 따라 저자는 NCM에 대해 Li를 조립했습니다.₈₁₁~에-현장 시험방법을 이용한 단층전지부종두께와부종힘, 분명히 작은 두께 또는 응력을 비교할 수 있습니다.부종충전 및 방전 사이클 과정에서 제로 VE-리 양극의 우수성을 입증합니다.부종복합 재료의 억제 성능.

그림 3. 부피가 0인 리튬 금속 음극의 SEI 및 사이클 안정성 분석 다이어그램부종

새로운 리튬 금속 양극의 상층 절연 기능층에 의해 야기되는 리튬 금속 계면 변화를 XPS에 의해 특성화함으로써, SEI가 리튬 덴드라이트에 대한 가장 우수한 억제 효과를 갖는 무기층 Li를 포함함을 입증하였다.₃N 및 리 F. 및 양극은 NCM₈₁₁두 종류의 LCO 배터리와 비교할 때 배터리 셀은 음극으로 VE-Li가 없는 가장 높은 사이클 용량 유지율을 보입니다.

그림 4. 단일 층 리튬 금속 전체 전지의 전기화학적 및 기계적 안정성

저자는 동적 굽힘 및 저항 테스트를 통해 제로 VE-Li가 4,000번의 굽힘 실험 후에도 저항 및 형태에 큰 변화가 없어 우수한 유연성을 나타냄을 발견했습니다. 제로 VE-리 전극은 플렉시블 배터리를 조립하기 위해 높은 표면 부하 플렉시블 양극과 일치했습니다. 전기화학적 사이클 안정성과 기계적 안정성 평가에서 제로부피부종음극은 높은 쿨롱 효율, 높은 사이클 용량 유지율 및 양호한 유연성 특성을 보였다.

그림 5. 다층 리튬 금속 전지의 전기화학적 및 기계적 안정성

저자들은 계속해서 양면 무부피 팽창 양극을 준비했고 상용 양극 재료보다 질량 비용량이 더 높다는 것을 발견했습니다. 조립된 다층 플렉시블 리튬-금속 배터리는 높은 중량 에너지 밀도와 부피 에너지 밀도를 가지며 3,000회 굽힘 실험 후에도 여전히 75%의 용량 유지율을 유지할 수 있습니다. 다른 관련 문헌에서 플렉서블 리튬계 전지의 에너지 밀도 값을 비교한 결과, 본 연구에서 개발한 제로 부피 팽윤 리튬 복합 양극을 기반으로 한 플렉서블 리튬-금속 전지 전체는 매우 높은 표면 에너지 밀도(22.7mWh·센티미터)를 가짐^-2), 실제 체적 에너지 밀도(375 W h L^-1, 양극 및 음극, 다이어프램 및 포장재의 부피 기준) 및 기록적인 유연한 품질 계수(FOM, 45.6).

요약하면

본 논문은 전기화학적 특성과 기계적 유연성이 우수하고 리튬 금속 전지의 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 제로 부피 팽창 리튬 복합 양극을 개발한다. 음극은 하부에 상부 전자 절연층, 하부에 리튬 친화층, 중간에 다공성 층을 포함하는 샌드위치 구조를 가지고 있습니다. 

저자는 NCM과 LCO 양극을 매칭하여 해당 플렉서블 리튬 메탈 배터리의 우수한 유연성, 에너지 밀도 및 사이클 유지율을 확인했습니다. 제로 볼륨 확장 디자인은 리튬 금속 배터리의 실제 적용을 위한 새로운 아이디어를 제공합니다. 볼륨 대 볼륨 제조 공정은 또한 대규모 생산 가능성을 보여줍니다. 원칙적으로 제로 볼륨부종디자인은 또한 에너지 밀도, 순환 및 구조적 안정성을 개선하기 위해 다른 음극 금속 배터리(예: 나트륨, 칼륨 및 아연 금속 배터리)를 구축하는 데 적합합니다.

원본 문학

차오 뤄, 홍 후, 천 장, 슈징 웬, 루오 왕, 야난 안, 샹-센 치, 준 왕, 차오양 왕, 지안 장*, 쯔젠 정*, 용홍 덩* 제로의 롤투롤 제작 -고에너지 밀도의 유연하고 안정적인 리튬 메탈 배터리 구현을 위한 부피 확장형 리튬 복합 양극.고급의 재료, 도이.조직/10.1002/아드마.202205677.

IEST 에너지 기술 관련 테스트 장비 권장

SWE 시리즈 현장 팽윤 분석 시스템(IEST): 고정밀 두께 측정 센서가 장착된 매우 안정적이고 신뢰할 수 있는 자동화 플랫폼을 사용하여 셀의 전체 충방전 프로세스의 두께 변화량 및 변화율을 측정합니다. 다음 기능을 실현할 수 있습니다.

1. 배터리 팽창 두께 곡선을 테스트하기 위한 일정한 압력 조건.

2. 일정한 간격 조건에서 배터리 팽창력 곡선을 테스트합니다.

3. 배터리 압축 성능 테스트: 응력 및 변형률 곡선-압축 계수.

4. 단계별 배터리 팽창력 테스트.

5. 다른 온도 조종: -20~80℃.