So erhöhen Sie die Kapazität des Lithium-Ionen-Akkus

Die Kapazität kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien ist durch die theoretische Kapazität von Kathodenmaterialien begrenzt. Derzeit nutzen die Forscher hauptsächlich die Entwicklung neuer Kathodenmaterialien und verbesserter elektrodentechnischer Techniken, um die Lade- und Entladekapazität der Batterie zu erhöhen. Nur wenige Studien haben sich auf die Verbesserung der Batteriekapazität durch Verbesserung des Teils des Elektrodenmaterials in der Batterie konzentriert. Die Membran ist ein wichtiger Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien, was sich direkt auf die Lebensdauer, Sicherheit, Energiedichte und Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Batterien auswirkt. Kommerzielle Lithium-Ionen-Batteriemembranen werden üblicherweise aus Polyolefin hergestellt, und ihre Elektrolytinfiltration und thermische Stabilität sind schlecht.

Erneuerbare, kostengünstige Cellulosemembranen haben die Vorteile einer guten Hydrophilie, einer einstellbaren Struktur und einer hohen Flexibilität sowie eines einfachen Herstellungsprozesses der thermischen Stabilität von Gaohe. Heutzutage konzentriert sich die Forschung an Membranen auf Cellulosebasis hauptsächlich auf die Entwicklung eines sicheren Diaphragmas mit guter elektrolytischer Infiltration. Es wurden nur wenige Studien zur Herstellung von Membranen auf Cellulosebasis durchgeführt, die die Batteriekapazität erhöhen können, während sie chemisch funktionsfähig sind. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die traditionelle handelsübliche Membran und ihre modifizierte Membran in einer einzelnen Batterie etwa 15 bis 20 Zoll Volumen ausmachen. Theoretisch kann das Volumen anderer aktiver Materialien entsprechend erhöht werden, indem die Dicke der Membran verringert wird, um die Batteriekapazität zu erhöhen. Es gibt jedoch kein zuverlässiges Verfahren zur Herstellung einer ultradünnen Membran und zur Aufrechterhaltung der notwendigen und wichtigen Eigenschaften der Batteriemembran.

[Ergebnisse Einführung]

Kürzlich veröffentlichten Wangzhaohui, ein leitender Forscher an der Universität von Uppsala in Schweden, und Leiff Nyholm (Co-Newsletter-Autor) und andere eine Studie mit dem Titel "Redox-ActiveSprematorium-IonBatteries" über Advency Science. In dieser Arbeit stellte das Team durch ein einfaches Papierherstellungsverfahren eine flexible mesoporöse Redox-Aktivmembran her, die aus Nanocellulosefasern (NCFs) und Polypyrrol (PPy) -Kompositen besteht. Die Redox-Aktivmembran hat eine Doppelschichtstruktur, von denen eine eine isolierende NCF-Schicht mit einer Dicke von etwa 3 & mgr; m ist, und die andere Seite besteht aus einer PPy / NCF-Verbundschicht mit Redoxaktivität mit einstellbarer Dicke. Unter diesen wirkt die NCF-Schicht als Hauptisolation zwischen den Elektroden. Die Redox-aktive PPy / NCF-Verbundschicht kann die NCF-Schicht mechanisch unterstützen und bietet zusätzliche Kapazität für Lithium-Ionen-Batterien. Das Team stellte fest, dass die flexible Redoxmembran gegenüber der kommerziellen Polyethylenmembran (PE) hinsichtlich thermischer Stabilität und Elektrolytbenetzbarkeit erhebliche Vorteile hatte. Die aktive Redox-Membran hat den Kurzschluss während der konzeptionellen Überprüfung des Batteriezyklus nicht beobachtet, und aufgrund des Vorhandenseins von PPy-Schichten hat sich die Batteriekapazität erheblich erhöht. Wenn in der Konzeptbatterie LiFePO4 (LFP) eine positive Elektrode ist, können Lithiumionenbatterien mit Redox-Aktivmembran eine Kapazität von 67 μAhcm-3/81 mAhg-1 aufweisen. Die erhaltene Kapazität ist höher als die, die durch eine Lithiumionenbatterie unter Verwendung einer herkömmlichen Membran (basierend auf dem Gesamtvolumen / Gewicht der Membran und der positiven Elektrode) erhalten wird. Dies zeigt, dass die Verwendung der Redox-Aktivmembran eine neue Methode zur Erhöhung der Kapazität herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien durch Ersetzen der Membran darstellen kann.

[Grafikhandbuch]

Abb. 1 (a) Traditionelles Diaphragma, b) Seitendiagramm des redoxaktiven Diaphragmas

Die elektrochemische aktive Membran erhöht die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie

Hinweis: Hellgrüner Bereich: Isoliermaterial; Hellgrauer Bereich: Redox-aktive Komponente

Konstruktionsidee: Durch Kombination der dünnen Isolationsschicht mit der porösen Trägerschicht aus leitfähigen Redox-Materialien kann eine flexible redoxaktive Membran mit einer Dicke erhalten werden, die der einer herkömmlichen Membran ähnlich ist, nicht nur um den sicheren Betrieb der Batterie zu gewährleisten Kann auch die Kapazität des Akkus erhöhen.

Abb. 2 Herstellung und morphologische Eigenschaften des aktivierten Diaphragmas zur CO2-Reduktion

Die elektrochemische aktive Membran erhöht die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie

A) Eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses des aktiven Redox-Diaphragmas;

B) Fotografien einer flexiblen Redox-Aktivmembran;

C) SEM-Diagramm der NCF-Schicht;

D) REM-Diagramm mit PPy-Schicht;

E) REM-Diagramm der zerrissenen aktiven Redox-Membran.

Abb. 3 Poröse Strukturen verschiedener Membranen

Die elektrochemisch aktive Membran erhöht die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie

NCF-basiertes Diaphragma, Redox-Aktivmembran, PPy @ NCFs-Verbundmembran: a) Aperturverteilung; (b) Akkumuliertes Bohrvolumen.

Abb. 4 Test der thermischen Stabilität und Benetzbarkeit von Elektrolyten

Die elektrochemische aktive Membran erhöht die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie

(a) Wärmestabilitätstest der PE-Membran (Abbildung oben) und der aktiven Redox-Membran (Abbildung unten) bei erhöhten Temperaturen (links: vor der Wärmebehandlung; Abbildung rechts: nach der Wärmebehandlung);

B) Elektrolytischer hygroskopischer Test des PE-Diaphragmas und des aktiven Redox-Diaphragmas (links: vor der Titration des Elektrolyten; rechts: nach Zugabe des Elektrolyten).

Fig. 5 Elektrochemische Eigenschaften von Zellen, die aus einer negativen Elektrode und einer anderen Membran bestehen, mit LiFePO4 als positiver Elektrode und Li als negativer Elektrode

Die elektrochemische aktive Membran erhöht die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie

A) die Lade- / Entladekurve bei 02C-Rate;

B) eine Cyclovoltammetriekurve mit einer Abtastrate von 0,2 M Vs-1;

(c) Multiplizitätsleistung;

D) Zyklische Stabilität von CellI.

Hinweis: 1. Die Dicke der Redox-Aktivmembran, der NCF-Membran, der PE-Membran und der GF-Membran beträgt 10, 10, 25 bzw. 255 μm. 2, CellI: LFP ist ein positiver Pol, Li ist ein negativer Pol und die PPy-Schicht der aktiven Redox-Membran steht in Kontakt mit dem positiven LFP-Pol; 3, GF-Membran: Glasfasermembran

Abbildung VI Vergleich des Mechanismus der Kapazitätserhöhung und der Gewichts- / Volumenkapazität verschiedener Membranen

Die elektrochemische aktive Membran erhöht die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie

A) Ein schematisches Diagramm der LFP / Li-Batterie, die die aktive Redox-Membran enthält (die NCFs der Membran stehen in direktem Kontakt mit der negativen Elektrode von Li);

B) Ein Vergleich des Gewichts / Volumens der Membran und der positiven Elektrode mit dem Gewicht / Volumen der LFP / Li-Batterie.

Abbildung VII Vergleich der Gewichtskapazität von Zellen mit PE als Membran- (LFP-PPy) / Li- und CellI-Batterien mit Redox-Aktivmembran

Die elektrochemisch aktive Membran erhöht die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie

[Zusammenfassung]

In dieser Arbeit wird ein Entwurfsverfahren zum Erhalt einer zweischichtigen Cellulosemembran durch Einbringen einer porösen aktiven Redoxschicht vorgeschlagen, um die elektrochemische Leistung von Lithiumionenbatterien zu verbessern. Da die Redox-Aktivmembran beim Ersetzen der herkömmlichen handelsüblichen Membran durch eine Redox-Aktivmembran zusätzliche Kapazität bereitstellen kann, steigt die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien mit LiFePO4 als positivem Pol und Li als negativer Elektrode von 0,16 mAh auf 0,276 mAh. Die Autoren weisen darauf hin, dass weitere Arbeiten die Kapazität erhöhen können, indem die Dicke der elektroaktiven Schicht und die Zusammensetzung des elektroaktiven Materials verbessert werden. Die Erhöhung der Kapazität seines elektrochemischen energiespeichersystems durch Redox-Aktivmembran bietet eine neue Idee für die Entwicklung von Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte und anderen elektronischen Produkten.

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