Aplicación de láminas de cobre recubiertas de carbono-utilizadas en baterías de iones de litio-

Con el rápido desarrollo del sector de vehículos de nueva energía, la demanda de una mayor densidad de energía en baterías secundarias de iones de litio-está aumentando. Mejorar la energía específica de las baterías no solo beneficia la autonomía de los vehículos eléctricos, sino que también puede aliviar significativamente el desafío actual de los altos costos. A medida que la densidad de energía de las baterías de iones de litio-sigue aumentando, la combinación de cátodos de alto-níquel con ánodos de silicio-carbono se ha convertido en la configuración estándar para desarrollar baterías de iones de litio-de alta-generación-de energía-de alta-generación de energía. Sin embargo, el silicio sufre cambios de volumen significativos durante los ciclos de carga y descarga, lo que lleva a la pulverización de partículas de material activo, pérdida de puntos de contacto con agentes conductores e incluso desprendimiento del colector de corriente. Esto da como resultado una rápida disminución de la capacidad y un ciclo de vida más corto para los ánodos de silicio-carbono, lo que dificulta su aplicación en baterías de iones de litio-.

El desarrollo de materiales de ánodos de silicio-carbono ha sido durante mucho tiempo un foco de atención en la investigación de baterías de iones de litio-, centrándose principalmente en la optimización y modificación del propio material. Esto incluye optimizar el tamaño de las partículas y la estructura del material de silicio, así como la estructura y los métodos de composición de silicio-carbono. Para lograr la aplicación práctica de materiales de ánodo de silicio-carbono, la optimización durante los procesos de diseño y fabricación de electrodos e incluso de baterías ha atraído cada vez más atención e investigación. Los ejemplos incluyen agentes conductores de optimización, aglutinantes utilizados en el proceso de lodo, densidad del área de recubrimiento, densidad de compactación, composición de electrolitos y procesos de formación.

Como componente crucial del electrodo, la lámina de cobre sostiene el material activo del electrodo negativo mientras recolecta los electrones generados y los conduce al circuito externo para formar corriente. Si la adhesión entre el material activo y la lámina de cobre es insuficiente, las partículas de silicio-carbono pueden desprenderse fácilmente de la lámina de cobre durante el ciclo debido a sus grandes cambios de volumen, lo que lleva a un rendimiento deficiente del ciclo. Para mejorar el ciclo de vida de las baterías, este estudio aplica una lámina de cobre recubierta con una capa de carbono conductora para alimentar las baterías. Mediante un proceso de apilamiento, se fabricaron celdas de energía tipo bolsa de 9,5 Ah con material ternario como cátodo y compuesto de óxido de silicio-carbono como ánodo. Se investigaron los efectos de la lámina de cobre recubierta de carbono-en comparación con la lámina de cobre lisa de doble-cara ordinaria sobre la capacidad de velocidad, el rendimiento de temperatura alta/baja-y el rendimiento del ciclo de las celdas.

En nuestros experimentos, utilizamos una lámina de cobre recubierta de carbono-basada en una lámina desnuda, recubierta por ambos lados con carbón conductor y un aglutinante de resina. Esto sirve para mejorar la conductividad del colector de corriente, asegurando una buena resistencia de contacto y al mismo tiempo aumenta la adhesión entre el material activo y el colector de corriente, mejorando así la vida útil de la batería. Las imágenes SEM de la lámina de cobre lisa de doble-cara, la lámina de cobre recubierta de carbono-y las láminas de electrodos revelan que la superficie de la lámina de cobre lisa de doble-cara es plana. Las partículas de carbono conductoras en la superficie de la lámina de cobre recubierta de carbono-están distribuidas uniformemente, con un diámetro de partícula de aproximadamente 15-20 nm, exhibiendo una estructura esférica-unida entre sí mediante adhesivo de resina. La superficie es suelta y porosa, lo que mejora eficazmente la adhesión del material activo al colector de corriente. Además, aumenta el área de contacto entre el material activo y el colector de corriente, lo que ayuda a reducir la resistencia de contacto de la lámina del electrodo. Las observaciones de la superficie y la estructura de la sección transversal-de la lámina del ánodo de SiO-C muestran una distribución uniforme de las partículas, permaneciendo intactas sin fracturarse bajo una densidad de compactación de 1,6 g/cc.

Los parámetros básicos de las láminas de electrodos negativos fabricadas con diferentes láminas de cobre indican que la resistencia al pelado de la lámina que utiliza una lámina de cobre recubierta de carbono-aumenta significativamente en comparación con la que utiliza una lámina de cobre lisa de doble-cara, mientras que la resistividad de la lámina de electrodo se reduce. Esto demuestra que la capa de recubrimiento de carbono puede aumentar el área de contacto entre el material activo y el colector de corriente, mejorar la conductividad electrónica de la lámina del electrodo y reducir la resistencia de contacto entre el material activo y el colector de corriente. Además, la capa de carbono que contiene el aglutinante de resina actúa como capa de transición, fortaleciendo la unión entre el material activo y el colector de corriente.

Los datos parciales de rendimiento electroquímico de las celdas de bolsa de 9,5 Ah fabricadas con diferentes láminas de cobre, incluido el voltaje del circuito abierto-, la resistencia interna de CA, la capacidad reversible, la eficiencia de la carga-descarga inicial y la utilización de la capacidad específica del cátodo, se obtuvieron promediando mediciones de 10 puntos de muestra. La comparación muestra que la resistencia interna de CA de la celda que usa una lámina de cobre recubierta de carbono-es menor que la de la celda que usa una lámina de cobre lisa de doble-cara. Esto se debe principalmente a que la lámina del electrodo hecha con lámina de cobre recubierta de carbono-tiene una resistividad más baja, lo que reduce la resistencia de contacto general de la celda. La utilización de capacidad específica de la celda que utiliza una lámina de cobre recubierta de carbono-es ligeramente menor (en 0,5 mAh/g) que la de la celda que utiliza una lámina de cobre lisa de doble-cara. Esto podría deberse a que la introducción del recubrimiento de carbono provoca una intercalación menor de iones de litio-, consumiendo algunos iones de litio y aumentando la capacidad irreversible de la celda.

Las curvas de descarga de las celdas de bolsa ensambladas con los dos tipos de lámina de cobre a diferentes velocidades a temperatura ambiente muestran que a medida que aumenta la velocidad de descarga, la meseta de descarga de ambos tipos de celdas disminuye y la capacidad de descarga disminuye gradualmente. Aparece un punto de inflexión de caída significativo cuando la velocidad de descarga alcanza los 4 °C. Esto se debe principalmente a que, con el aumento de la corriente de descarga, los iones de litio, después de liberar electrones, no pueden abandonar rápidamente el ánodo y difundirse en el electrolito, creando un gradiente sustancial de concentración de iones de litio-. Esto aumenta el potencial del electrodo necesario para que los iones de litio regresen al cátodo, lo que provoca un aumento de la presión interna en la celda y la consiguiente disminución de la meseta de descarga. Comparando las curvas de tasa de descarga antes mencionadas y las tasas de retención de capacidad de descarga a diferentes tasas, las mesetas de descarga de los dos tipos de celdas son esencialmente idénticas a la misma tasa. A tarifas bajas (<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.

Las curvas de ciclo de las celdas de bolsa ensambladas con los dos tipos de lámina de cobre en condiciones de carga-descarga de 1C/1C a temperatura ambiente muestran que después de 300 ciclos, la tasa de retención de capacidad es del 89,5 % para la celda de lámina de cobre recubierta de carbono-, en comparación con el 84,2 % para la celda de lámina de cobre lisa de doble-cara. La estabilidad del ciclo de la celda de lámina de cobre recubierta de carbono-mejora significativamente en comparación con la celda de lámina de cobre lisa de doble-cara. Este beneficio surge de dos aspectos principales: en primer lugar, la capa de carbono conductor recubierta sobre la superficie de la lámina de cobre aumenta el área de contacto entre el material activo y la lámina de cobre, y la estructura de la superficie porosa proporciona más sitios de contacto para el material activo, mejorando la interacción con el colector de corriente; en segundo lugar, la presencia del aglutinante de resina en el recubrimiento de carbono fortalece aún más la adhesión entre el material activo y la lámina de cobre. Esto suprime significativamente el fenómeno de pulverización de material activo en ánodos basados ​​en silicio-causado por la gran tasa de expansión de las partículas después de múltiples ciclos, extendiendo así de manera efectiva el ciclo de vida de la batería.

(1) Aumenta la resistencia al pelado de la lámina del electrodo del ánodo de SiO-C al tiempo que reduce su resistividad.
(2) Mejora el rendimiento de temperatura alta/baja-y la capacidad de velocidad, pero no de manera significativa.
(3) Mejora eficazmente el rendimiento del ciclo de las baterías basadas en silicio-. En comparación con la lámina de cobre lisa de doble-cara, la tasa de retención de capacidad después de 300 ciclos con una tasa de carga/descarga de 1C mejora en un 5,2 %.

Referencias

Infraestructura Nacional del Conocimiento de China (CNKI)
Investigación y aplicación de láminas de cobre recubiertas de carbono en baterías de iones de litio-a base de silicio-
Instituto de Investigación de Tecnología de la Industria Química del Carbón de Shaanxi Co., Ltd.
Shen Xiaohui