Einfluss neuer Elektroden auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Gibt es einen Moment in Ihrem Leben, glauben Sie, dass die Technologie ins Hintertreffen gerät?

Ja, als wir das iPad, einen der teuersten PCs für Verbraucher unserer Zeit, auspackten, erfasste ein Gefühl der Ohnmacht den ganzen Körper, und ein großes Stück Schwarz in der Mitte nahm die überwiegende Mehrheit der gesamten Maschine ein. Was ist es? Es ist eine Batterie!

Was schränkt die Entwicklung elektronischer Produkte in Richtung sicherer und leichter ein, wenn der Vibrationsmotor so präzise sein kann? Es ist eine Batterie!

Um die herkömmliche Lithiumbatterie zu ersetzen, achten die Forscher auf die Entwicklung eines neuen Lithiumionenbatterietyps mit hervorragender Zyklusleistung. Es zeigt sich, dass, wenn die Partikelgröße verringert wird und die Elektrode eine Nanostruktur aufweist, die Elektrode auch im Lithiierungs- und Delithiierungsprozess normal arbeiten kann, selbst wenn die Volumendehnung groß ist. . Einige Forscher haben auch darauf hingewiesen, dass das beschichtete (Kern-Schale) Morphologie-Elektrodenmaterial während des Lade- und Entladezyklus einen geringen Verschleiß aufweist. Bei Elektroden-Nanostrukturmaterialien sind jedoch neue Probleme aufgetreten: geringe Volumenkapazität (niedrige Klopfdichte), hohe Beständigkeitseigenschaften, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden und die Coulomb-Effizienz aufgrund von Nebenreaktionen gering ist.

In Anbetracht der obigen Probleme kann das Anodenverbundmaterial diese Mängel lösen. Das durch Graphen dargestellte Basisverbundanodenmaterial hat die Vorteile einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, einer hohen mechanischen Festigkeit, einer starken Verbindung mit lithiumaktiven Komponenten, einer schnellen Lithiumionenübertragung usw., jedoch Nachteile. Es gibt folgende Aspekte: 1. Das Gesamtkapazitätspotential weist Einschränkungen auf. 2. Synthetische Technologie ist teuer. 3. Der erste Zyklusverlust ist groß und die Zykluseffizienz ist gering.

Kürzlich hat die ausländische Gurpreet Singh-Gruppe ein geordnetes, überkreuzendes, selbstständiges großflächiges Anodenverbundmaterial mit der Zusammensetzung von SiOC und reduziertem Graphenoxid (rGO) synthetisiert. Das Anodenmaterial hat eine höhere Volumenkapazität als die angegebenen Si / C-Nanoröhren, und die Redox-Graphenschicht dient als Grundmaterial für die SiOC-Partikel, und die Kombination der beiden weist hohe Elektronentransportkanäle, einen hohen Zyklus und eine hohe Stromdichte auf. und Struktur, hohe Stabilität und andere Vorteile. Darüber hinaus kompensiert es die Defekte anderer Arten von Lithiumbatterien, die Ladekapazität im ersten Zyklus ist hoch (702 mAhg-1), die stabile spezifische Ladekapazität ist groß (543 mAhg-1) und die Ladestromdichte ist hoch (2400 mAg) -1). Bemerkenswerter ist, dass dieses Verbundanodenmaterial hervorragende Dehnungsversagensmerkmale (mehr als 2%) aufweist, die größer sind als die Versagensmerkmale des einfachen papierähnlichen reduzierten Graphenoxids.

Silizium und Graphen haben eine hohe theoretische Tragfähigkeit, was ein gutes Anodenmaterial für Lithiumbatterien ist, aber seine niedrige Energiedichte, sein geringer Wirkungsgrad und seine schlechte Stabilität schränken seine praktische Anwendung ein. Hier berichten wir über ein selbstständiges Anodenmaterial, das aus Kohlenstoff-Silica-Glaspartikeln besteht, die in eine chemisch modifizierte Graphenmatrix eingebettet sind. Die vereinfachte poröse Graphenoxidmatrix wird als hocheffizienter Elektronentransporter verwendet und ist ein Stromkollektor mit stabiler Struktur. Es kann zusammen mit amorphem Siliciumoxycarbid verwendet werden, um Lithiumbatterien eine hohe Coulomb-Effizienz zu ermöglichen. In 1020 Zyklen erreichte die Energiedichte der Papierelektrode 588 mAhg-1 ohne Anzeichen eines mechanischen Versagens.

Der Artikel wies auch darauf hin, dass die Reduzierung einiger unnötiger Materialien, wie Stromkollektoren oder Polymerbindemittel, zur Herstellung effizienter Leichtbatterien.

(a) Rasterelektronenmikroskopisches Muster von SiC-Partikeln, die durch Zersetzung von TTCS (1,3,5,7-Tetramethyl-1,3,5,7-tetravinylcyclotetrasiloxan) gebildet wurden. Es kann beobachtet werden, dass die glasartigen Partikel aus Partikeln mit einer Größe von Submikron bestehen.

(b) Vernetztes TTCS und pyrolysiertes Siliciumoxycarbid, charakterisiert durch Röntgenenergiespektroskopie.

(c) Es ist ein Siliziumoxynitridspektrum unter Hochleistungsröntgenabtastung.

(f) Der Peak des Raman-Spektrums des Siliciumoxycarbids ist durch Graphit gekennzeichnet (D1-Peak: 1.350 cm & supmin; ¹; G-Peak: 1.590 cm & supmin; ¹)

(g) Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie von SiC und vernetztem TTCS (γ: Zugschwingungsmodus; σ: Biegeschwingungsmodus)

(h) Atomstrukturmodell der Kohlenstoffoxychloridpartikel nach Pyrolyse.

(i) Eine transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines Verbundmaterials aus Siliciumoxycarbid und Graphenoxid. Große weiße Graphenoxidflecken bedecken die Oberfläche des Siliciumoxycarbids.

(j) Die Verwendung von amorphem Siliciumoxycarbid und stark abgeschiedenem Graphenoxid-Blattmaterial mit einem schwachen kreisförmigen Muster aufgrund seines Polymorphismus erscheint das entsprechende durch Transmissionselektronenmikroskopie ausgewählte Elektronenbeugungsmuster als Mehrpunktmodus.

(k) Die Querschnittselementansicht des fokussierten Ionenstrahls von 60SiOC, Si, C und O wird durch Blau, Rot bzw. Grün dargestellt.

(l) Röntgenbeugungsmuster von vernetzten TTCS-, SiOC-, GO- und Verbundpapiermaterialien vor und nach der Wärmebehandlung.

(m) Thermogravimetrische Analyse von Graphenoxidpapier und nicht getempertem Papier (erhitzt von 30 Grad Celsius auf 800 Grad in einem gleichmäßigen Luftstrom bei 10 Grad Celsius pro Minute)

Elektrochemische Eigenschaften und Lithiumspeichermechanismus

(a) Ein Muster verschiedener Ladekapazitäten und Ladeeffizienzen von Papierelektroden in dem Fall, in dem die Stromdichte in asymmetrischer Form erhöht wird, wenn der Lade- und Entladezyklus durchgeführt wird.

(b) Der Langzeitzyklus der rGO- und 60SiOC-Elektroden liegt bei 1600 mAh pro Gramm. Nach 970 Zyklen zeigte die Elektrode eine gute Rückgewinnungsleistung pro Gramm, wenn die Stromdichte auf 100 mA abfiel. Der Einschub ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der RGO- und 60SiOC-Elektroden.

(c) Spannungskurve der 60SiOC-Elektrode.

(d) Unterschiedliche Kapazitätskurven für den ersten, zweiten und zehnten Zyklus.

(e) Zyklische Leistung von 60SiOC unter Null. Beim Abkühlen auf minus 15 Grad Celsius zeigt der akku eine Kapazität von ca. 200 mAh pro Gramm. Wenn die Temperatur auf Raumtemperatur von etwa 25 Grad Celsius ansteigt, wird die Batteriekapazität erneut auf etwa 86% geändert.

(f) Schematische Darstellung von Lithium oder Nicht-Lithium in Kohlenstoffoxychloridpartikeln. Der größte Teil des Lithiums ist in der zufälligen Kohlenstoffphase verteilt, und diese Kohlenstoffphasen sind gleichmäßig in der amorphen SiOC-Matrix verteilt. Das große RGO-Blech wirkt als hocheffizienter elektronischer Leiter und elastischer Träger.

Mechanischer Test

(a) Das Foto, das aufgenommen wurde, als das rGO-Papier zerbrochen wurde, ist das schematische Diagramm des Zugkrafttests, und die Skala zeigt an, dass die Längenänderung 0,28 mm beträgt.

(b) Dehnungsmuster, die aus Last-Verschiebungsdaten und ihren entsprechenden Modulwerten gezogen wurden.

(c) Koeffizientenwerte von RGO, 10SiOC, 40SiOC und 60SiOC mit Fehlern von 26,8, 7,6, 41,5 bzw. 24,1 MPa

(d) RGO-Papier zeigt ein Streckphänomen und eine Umlagerung von Graphenschichten vor dem Versagen.

(e) Für das 60SiOC-Papier trat eine feine Dehnung und Umlagerung auf, und die unterbrochene Linie wurde allmählich gerissen, als die SiOC-Partikel in den weißen RGO-Fleck eingebettet wurden.

Herstellung des Herstellungsverfahrens Herstellung der SiOC-Keramik: SiOC wurde durch Polymerpyrolyse hergestellt, und flüssiges TTCS wurde 5 Stunden in einer Argonatmosphäre bei 380ºC vernetzt, um schließlich eine weiße unlösliche Substanz zu bilden. Das unlösliche Material wurde dann zu einem Pulver kugelgemahlen und dann 10 h bei 1000 ° C in einer Argonatmosphäre pyrolysiert, um schließlich ein schwarzes SiOC-Keramikpulver zu werden. Herstellung von GO und SiOC: GO wurde unter Verwendung von modifiziertem Hummer hergestellt, und 20 ml kolloidale GO-Suspension wurden durch Ultraschallbehandlung von Wasser und Isopropanol in einem Volumenverhältnis von 1: 1 hergestellt. Zu der Lösung wurden unterschiedliche Gewichtsprozente von SiOC-Partikeln gegeben, und die Lösung wurde 1 Stunde lang mit Ultraschall geschüttelt, 6 Stunden gerührt und dann wurde der Verbundstoff mit einer 10-Mikron-Filtermembran vakuumfiltriert. Das GO / SiOC wurde vorsichtig vom Filterpapier abgekratzt, getrocknet und 2 h in einer Argonatmosphäre bei 500 ° C gehalten. Außerdem wurde Polypropylen als Filterpapier verwendet, um ein großflächiges 60SiOC-Papier herzustellen. Das wärmebehandelte Papier wurde in kleine Kreise geschnitten und als Arbeitselektrodenmaterial für eine Halbzelle einer Lithiumionenbatterie verwendet. Knopfzellenmontage und elektrochemische Messung: Lithiumbatterien werden in einem mit Argon gefüllten Handschuhfach montiert. Ein 25 Mikron dickes Glas (19 mm Durchmesser) wurde in den Elektrolyten zwischen der Arbeitselektrode und metallischem Lithium (Durchmesser 14,3 mm, 75 Mikron dick) als Gegenelektrode eingetaucht. Die Dichtung, die Feder, die Batteriedose und dergleichen werden nacheinander zusammengebaut und dann gepresst.

Ausblick: Lithiumbatterien bewegen sich weiter in Richtung höherer Energiedichte, geringerem Gewicht und sicherer Richtung, was mehr mobile Terminals zu allen Aspekten unseres Lebens führen wird, so dass unser Leben für immer andauern wird!

Die von der Forschungsgruppe hergestellte SiO-Glas-Graphen-Verbundpapierelektrode weist hervorragende Zykluseigenschaften auf. Das Elektrodenmaterial weist nach wiederholten Zyklen einen geringen spezifischen Kapazitätsverlust auf, der erste Zyklus weist eine höhere spezifische Kapazität und eine längere Haltbarkeitszeit auf, und das Forscherteam hat festgestellt, dass die Nichtbestandteile der Wirkstoffe die Richtung für die Herstellung von Leichtbatterien vorgeben.

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