Impacto del espesor de la capa de carbono del papel de aluminio en el rendimiento de las baterías de iones de litio-

El papel de aluminio es el principal colector de corriente catódico en las baterías comerciales de iones de litio-. Sin embargo, los colectores de corriente de lámina de aluminio convencionales presentan varios desafíos, incluida la resistencia de contacto en la interfaz entre la lámina rígida y las unidades de material activo del cátodo, lo que conduce a una resistencia interfacial significativa. La débil adhesión con el material activo, junto con los continuos cambios de volumen del electrodo durante los ciclos de carga/descarga, pueden provocar el desprendimiento del material activo ("polvo"), acelerando la pérdida de capacidad y la degradación de la vida útil. Además, los productos de la descomposición oxidativa del electrolito pueden participar en reacciones electroquímicas en el papel de aluminio, acelerando su corrosión. Para abordar estos problemas, se han explorado varios métodos de modificación del papel de aluminio, incluido el grabado químico, el grabado electroquímico, la anodización con CC, el tratamiento de corona y los recubrimientos conductores (como los recubrimientos de grafeno, los recubrimientos de nanotubos de carbono y los recubrimientos compuestos) aplicados a la superficie del sustrato. Algunos de ellos ya se utilizan en productos comerciales. En los últimos años, los recubrimientos conductores, en particular el papel de aluminio recubierto de carbono-, han experimentado una adopción generalizada. Las razones principales son su capacidad para reducir la resistencia de contacto interfacial del colector de corriente catódico, mitigar la polarización y, en consecuencia, mejorar hasta cierto punto la capacidad de tasa de descarga de la batería.

La investigación actual sobre láminas recubiertas de carbono-se centra principalmente en la compatibilidad de las láminas con las formulaciones catódicas y el rendimiento de la velocidad. Métodos como la corrosión química, el grabado electroquímico y el tratamiento corona pueden mejorar la humectabilidad y la rugosidad de la superficie del papel de aluminio, reducir la resistencia a la transferencia de carga y mejorar la velocidad y el rendimiento cíclico. Se ha demostrado que revestimientos como el grafeno, los nanotubos de carbono y los revestimientos anticorrosión mejoran el rendimiento de las células. Por ejemplo, un estudio señaló que un recubrimiento de grafeno daba como resultado un aumento de apenas 5 mΩ en la resistencia interna después de 50 ciclos, lo que demuestra una buena adhesión. Si bien se han realizado importantes investigaciones sobre sistemas de lodos, implementación de procesos y tecnologías de tratamiento de superficies, rara vez se ha informado del impacto del espesor del recubrimiento de carbono en el rendimiento general de la celda, particularmente en la velocidad y el rendimiento cíclico de los cátodos de fosfato de hierro y litio (LFP). Este estudio utiliza principalmente papel de aluminio de 16 μm de espesor como sustrato para investigar los cambios morfológicos de la lámina con diferentes espesores de recubrimiento de carbono y su impacto posterior en el rendimiento de la celda.

Como se muestra en la Tabla , la densidad del área de la lámina aumenta gradualmente con el espesor del revestimiento conductor. La resistencia eléctrica de la lámina no cambia linealmente con el espesor. Todos los colectores de corriente con revestimiento de carbono presentan una conductividad peor que el aluminio puro, con valores de resistencia de 2 a 6 veces mayores. La muestra Al-2 muestra la resistencia interna más baja, mientras que Al-5 tiene la más alta. Esto se atribuye al mayor contenido de aglutinante/material coloidal (menos conductor) dentro del recubrimiento a medida que aumenta el peso del recubrimiento. A medida que aumenta el espesor del recubrimiento de carbono, también aumenta el área de contacto entre el material activo de fosfato de hierro y litio (LFP) y la capa de recubrimiento conductor, lo que aumenta la resistencia al pelado. Sin embargo, con más área incrustada, el contacto entre el material activo y el material aglutinante/coloidal dentro de la capa conductora también aumenta, aumentando en consecuencia la resistencia.

La superficie del sustrato recubierto de carbono-en general parece suelta y porosa. En comparación con el papel de aluminio desnudo, la superficie se vuelve más rugosa, lo que proporciona más puntos de contacto con las partículas. La ondulación de la topografía de la superficie se vuelve más pronunciada a medida que aumenta el espesor del revestimiento conductor. Sin embargo, incluso para la lámina de Al-1, la capa de carbono está recubierta uniformemente sobre la lámina de aluminio desnuda. Este recubrimiento conductor consta de partículas de alrededor de 3,4 μm de tamaño y partículas más pequeñas en el rango de 150 a 200 nm, observándose cierta aglomeración de partículas de la suspensión del recubrimiento conductor. Las pilas de botón fabricadas con láminas de aluminio recubiertas de carbono de diferentes espesores exhiben picos simétricos de oxidación y reducción, lo que indica una mejor reversibilidad de la reacción redox en comparación con la lámina de aluminio desnuda. La diferencia de potencial entre los picos de oxidación y reducción es menor que la del papel de aluminio desnudo, lo que sugiere que la presencia del recubrimiento de carbono mitiga la polarización del electrodo.

Desde la perspectiva de las propiedades fisicoquímicas.

• La resistencia al pelado de la lámina del electrodo aumenta con el espesor del recubrimiento de carbono.
• La resistencia de la lámina del electrodo aumenta con el espesor del recubrimiento.
• El valor mínimo de resistencia se observó con un espesor total de 2,0 μm.
• Para espesores de 4,0 μm y 5,0 μm, la resistencia a la transferencia de carga aumenta, la capacidad de difusión del Li+ se debilita y la polarización aumenta.
• Estos resultados indican que el espesor del recubrimiento de carbono debe controlarse dentro de un rango apropiado.

Desde la perspectiva del rendimiento electroquímico completo-de la celda

• El papel de aluminio recubierto de carbono- demostró ventajas en ciclos de temperatura ambiente de 0,5 °C y 2,0 °C, así como en el rendimiento de descarga a baja-temperatura a -20 grados.
• El rendimiento cíclico óptimo en estas condiciones se observó con un espesor de recubrimiento total de 2,0 µm.
• Los experimentos también revelaron que a una velocidad de corriente de 1,0 °C, el papel de aluminio desnudo exhibió un excelente rendimiento cíclico, manteniendo más del 90 % de retención de capacidad después de 1500 ciclos. Este hallazgo proporciona una dirección para una mayor investigación sobre el mecanismo del papel de aluminio recubierto de carbono-.
• El rendimiento varía con los diferentes espesores de revestimiento de carbono. El uso de espesores de recubrimiento excesivamente altos (por ejemplo, 4,0 µm y 5,0 µm) no mejora de manera efectiva el rendimiento de la batería sino que desperdicia material en suspensión y aumenta el costo.
• Si bien el papel de aluminio desnudo puede alcanzar el ciclo de vida óptimo a 1,0 °C, su curva de ciclo muestra fluctuaciones significativas, lo que es perjudicial para la estimación de la última etapa-del estado de salud (SOH) de la batería.

Considerando todos los indicadores de manera integral, un espesor total de recubrimiento de carbono de1.0 μmrepresenta la opción óptima en términos de costo-rendimiento para el papel de aluminio recubierto de carbono-.

Referencias
Infraestructura Nacional del Conocimiento de China (CNKI)

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