Application d'une feuille de cuivre recouverte de carbone-utilisée dans les batteries au lithium-ion

Avec le développement rapide du secteur des véhicules à énergie nouvelle, la demande d'une densité énergétique plus élevée dans les batteries secondaires au lithium-ion augmente. L’amélioration de l’énergie spécifique des batteries profite non seulement à l’autonomie des véhicules électriques, mais peut également atténuer considérablement le défi actuel des coûts élevés. Alors que la densité énergétique des batteries au lithium-ion continue d'augmenter, la combinaison de cathodes en nickel à haute-avec des anodes en silicium-carbone est devenue la configuration standard pour le développement de la prochaine-génération de batteries au lithium-ion à haute-énergie-densité d'énergie. Cependant, le silicium subit des changements de volume importants au cours des cycles de charge et de décharge, entraînant la pulvérisation des particules de matière active, la perte des points de contact avec les agents conducteurs, voire le détachement du collecteur de courant. Cela entraîne une dégradation rapide de la capacité et une durée de vie raccourcie des anodes en silicium-carbone, ce qui entrave leur application dans les batteries lithium-ion.

Le développement de matériaux d'anode en silicium-carbone est depuis longtemps au centre de la recherche sur les batteries lithium-ion, principalement axée sur l'optimisation et la modification du matériau lui-même. Cela inclut l'optimisation de la taille des particules et de la structure du matériau de silicium, ainsi que de la structure et des méthodes de composition du silicium -carbone. Pour parvenir à l'application pratique des matériaux d'anode en silicium-carbone, l'optimisation des processus de conception et de fabrication des électrodes et même des batteries a suscité une attention et des recherches croissantes. Les exemples incluent l'optimisation des agents conducteurs, des liants utilisés dans le processus de suspension, de la densité surfacique du revêtement, de la densité de compactage, de la composition électrolytique et des processus de formation.

En tant que composant crucial de l'électrode, la feuille de cuivre soutient le matériau actif de l'électrode négative tout en collectant les électrons générés et en les conduisant vers le circuit externe pour former du courant. Si l'adhésion entre le matériau actif et la feuille de cuivre est insuffisante, les particules de silicium-carbone peuvent facilement se détacher de la feuille de cuivre pendant le cycle en raison de leurs changements de volume importants, entraînant de mauvaises performances de cycle. Pour améliorer la durée de vie des batteries, cette étude applique une feuille de cuivre recouverte d’une couche de carbone conductrice pour alimenter les batteries. À l'aide d'un processus d'empilement, des cellules de puissance en poche de 9,5 Ah ont été fabriquées avec un matériau ternaire comme cathode et un composite d'oxyde de silicium -carbone comme anode. Les effets d'une feuille de cuivre recouverte de carbone -par rapport à une feuille de cuivre lisse double-ordinaire sur la capacité de débit, les performances à haute/basse -température et les performances de cycle des cellules ont été étudiées.

Dans nos expériences, nous avons utilisé une feuille de cuivre recouverte de carbone- à base de feuille nue, recouverte sur les deux faces de carbone conducteur et d'un liant résine. Cela sert à améliorer la conductivité du collecteur de courant, garantissant une bonne résistance de contact, tout en augmentant simultanément l'adhésion entre le matériau actif et le collecteur de courant, améliorant ainsi la durée de vie de la batterie. Les images SEM de la feuille de cuivre lisse double-, de la feuille de cuivre recouverte de carbone-et des feuilles d'électrodes révèlent que la surface de la feuille de cuivre lisse double-est plate. Les particules de carbone conductrices à la surface de la feuille de cuivre recouverte de carbone-sont uniformément réparties, avec un diamètre de particule d'environ 15-20 nm, présentant une structure de type sphérique-liée ensemble par un adhésif en résine. La surface est meuble et poreuse, améliorant efficacement l'adhérence du matériau actif au collecteur de courant. De plus, la zone de contact entre le matériau actif et le collecteur de courant est augmentée, ce qui contribue à réduire la résistance de contact de la feuille d'électrode. Les observations de la surface et de la structure en coupe transversale de la feuille d'anode SiO-C montrent une distribution uniforme des particules, les particules restant intactes sans se fracturer sous une densité de compactage de 1,6 g/cc.

Les paramètres de base des feuilles d'électrodes négatives fabriquées à l'aide de différentes feuilles de cuivre indiquent que la résistance au pelage de la feuille utilisant une feuille de cuivre recouverte de carbone - est considérablement augmentée par rapport à celle utilisant une feuille de cuivre lisse double -, tandis que la résistivité de la feuille d'électrode est réduite. Cela démontre que la couche de revêtement de carbone peut augmenter la zone de contact entre le matériau actif et le collecteur de courant, améliorer la conductivité électronique de la feuille d'électrode et réduire la résistance de contact entre le matériau actif et le collecteur de courant. De plus, la couche de carbone contenant le liant résine agit comme une couche de transition, renforçant la liaison entre le matériau actif et le collecteur de courant.

Des données partielles sur les performances électrochimiques des cellules en poche de 9,5 Ah fabriquées avec différentes feuilles de cuivre, notamment la tension en circuit ouvert-, la résistance interne CA, la capacité réversible, l'efficacité de la charge-décharge initiale et l'utilisation spécifique de la capacité de la cathode, ont été obtenues en faisant la moyenne des mesures de 10 points d'échantillonnage. La comparaison montre que la résistance interne CA de la cellule utilisant une feuille de cuivre recouverte de carbone - est inférieure à celle de la cellule utilisant une feuille de cuivre lisse double -. Cela est principalement dû au fait que la feuille d'électrode constituée d'une feuille de cuivre recouverte de carbone - a une résistivité plus faible, réduisant ainsi la résistance de contact globale de la cellule. L'utilisation de la capacité spécifique de la cellule utilisant une feuille de cuivre recouverte de carbone - est légèrement inférieure (de 0,5 mAh/g) à celle de la cellule utilisant une feuille de cuivre lisse double-. Cela pourrait être dû à l'introduction du revêtement de carbone conduisant à une intercalation mineure d'ions lithium -, consommant certains ions lithium et augmentant la capacité irréversible de la cellule.

Les courbes de décharge des cellules de poche assemblées avec les deux types de feuilles de cuivre à des vitesses différentes à température ambiante montrent qu'à mesure que le taux de décharge augmente, le plateau de décharge des deux types de cellules diminue et la capacité de décharge diminue progressivement. Un point d’inflexion de baisse significatif apparaît lorsque le taux de décharge atteint 4°C. Cela est principalement dû au fait que, avec l'augmentation du courant de décharge, les ions lithium, après avoir libéré des électrons, ne peuvent pas rapidement quitter l'anode et diffuser dans l'électrolyte, créant ainsi un gradient de concentration d'ions lithium - important. Cela augmente le potentiel d'électrode requis pour que les ions lithium reviennent à la cathode, entraînant une augmentation de la pression interne dans la cellule et un abaissement conséquent du plateau de décharge. En comparant les courbes de débit de décharge susmentionnées et les taux de rétention de capacité de décharge à différents taux, les plateaux de décharge des deux types de cellules sont essentiellement identiques au même taux. Aux tarifs bas (<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.

Les courbes de cycle des cellules de poche assemblées avec les deux types de feuille de cuivre dans des conditions de charge -décharge 1C/1C à température ambiante montrent qu'après 300 cycles, le taux de rétention de capacité est de 89,5 % pour la cellule en feuille de cuivre recouverte de carbone-, contre 84,2 % pour la cellule en feuille de cuivre lisse double-. La stabilité du cycle de la cellule en feuille de cuivre recouverte de carbone-est considérablement améliorée par rapport à la cellule en feuille de cuivre lisse double-. Cet avantage découle de deux aspects principaux : premièrement, la couche de carbone conductrice appliquée sur la surface de la feuille de cuivre augmente la zone de contact entre le matériau actif et la feuille de cuivre, et la structure de surface poreuse fournit davantage de sites de contact pour le matériau actif, améliorant ainsi l'interaction avec le collecteur de courant ; d'autre part, la présence du liant résine dans le revêtement de carbone renforce encore l'adhésion entre le matériau actif et la feuille de cuivre. Cela supprime considérablement le phénomène de pulvérisation de matériau actif dans les anodes à base de silicium - provoqué par le taux d'expansion élevé des particules après plusieurs cycles, prolongeant ainsi efficacement la durée de vie de la batterie.

(1) Augmente la résistance au pelage de la feuille d'électrode d'anode SiO-C tout en réduisant sa résistivité.
(2) Améliore les performances et la capacité de débit à haute/basse-température, mais pas de manière significative.
(3) Améliore efficacement les performances de cycle des batteries à base de silicium-. Par rapport à une feuille de cuivre lisse double-, le taux de rétention de capacité après 300 cycles à un taux de charge/décharge de 1 C est amélioré de 5,2 %.

Références

Infrastructure nationale du savoir de Chine (CNKI)
Recherche et application d'une feuille de cuivre recouverte de carbone dans les batteries lithium-ion-à base de silicium-
Institut de recherche technologique de l'industrie chimique du charbon du Shaanxi Co., Ltd.
Shen Xiaohui

CONTACTEZ NOTRE ÉQUIPE TECHNIQUE

Vous pouvez visiter notre lien produithttp://www/carbon-revêtement-feuille/carbone-revêtement-cuivre-feuille/conducteur-carbone-revêtement-cuivre-feuille.htmlpour plus de détails