Ключом к улучшению удельной энергии литий-ионных аккумуляторов является положительный и отрицательный активные материалы. В настоящее время основные высоколегированные тройные материалы NCM и NCA, соответствующие углеродным материалам с отрицательным электродом, могут в основном выдерживать аккумуляторы удельной энергии мощностью 300 Вт / кг и даже 350 Втч / кг. Спрос, но для дальнейшего увеличения удельной энергии литий-ионных батарей до 400 Вт / кг или даже более 500 Вт / кг, существующая система бессильна. С нынешнего технического уровня отрицательный металлический литий, по-видимому, очень хороший вариант, он Теоретическая удельная емкость составляет 3860 мАч / г, платформа напряжения - 3,4 В (по сравнению с стандартным водородным электродом), и она обладает отличной проводимостью. Она очень подходит в качестве отрицательного электрода литиево-ионной батареи. Люди не пробовали ее без ионов лития. До рождения батареи когда-то была волна металлических вторичных батарей лития на глобальном рынке химических батарей. Однако эта попытка закончилась неудачей. Причина в том, что литиевые дендриты, возникающие при циклировании металлических литиевых отрицательных электродов, могут вызвать литий. Ионное короткое замыкание аккумуляторной батареи, что приводит к серьезным проблемам безопасности.
Чтобы решить проблему литиевых дендритов, люди также проделали большую работу и получили много результатов исследований от электролитов, искусственных пленок SEI и механизма производства и роста Li dendrites. Это было также в нашей предыдущей статье. В последнее время Zhengyuan Tu et al. Из Университета Корнелла в Соединенных Штатах изготовили металлический отрицательный электрод с композитной структурой путем осаждения элемента Sn на поверхность отрицательного электрода щелочного металла (Li, Na и т. Д.), Что позволяет Li + присутствовать на электроде. Быстрая диффузия поверхности, которая эффективно ингибировала рост Li-дендритов, значительно улучшила срок службы батарей с использованием металлических анодов.
Составной электрод, используемый Zhengyuan Tu, имеет очень простой процесс получения. Добавляя соль целевого металлического элемента Sn к общему карбонатным электролитом, металлический элемент-мишень может быть осажден при комнатной температуре реакцией ионного обмена на поверхности анода металла Li. (Как показано выше), когда речь идет о том, почему Sn используется в качестве целевого элемента, Zhengyuan Tu сказал: «Причина, по которой Sn была выбрана в качестве целевого металла, объясняется главным образом тем, что Li очень быстро диффундирует в Sn и Li в Sn. Разность потенциалов между процессом внедрения и процессом внедрения составляет менее 500 мВ, что способствует быстрой диффузии Li в анод Li-металла через слой Sn.
Zhengyuan Tu использовал инструмент сопротивления переменного тока для анализа отрицательного электрода Li после осаждения Sn (результат показан на следующем рисунке c). Из рисунка c ниже видно, что сопротивление раздела Li-отрицательного электрода после осаждения Sn, по-видимому, падает. Сопротивление интерфейса отрицательного электрода составляет около 80 Вт / см2, а сопротивление раздела после осаждения 2um Sn падает до примерно 25 Вт / см2, а уменьшение более чем в три раза. Кроме того, мы заметили, что после осаждения слоя Sn на поверхность Li он не находился в EIS. В спектр добавляется дополнительный полукруг, что означает, что осаждение Sn на поверхности анода Li не увеличивает дополнительного сопротивления раздела. Нанесение Sn на поверхность металлического Li-катода по данным EIS не только не увеличивает сопротивление Li + на границе раздела электродов, но скорее связано с слоем Sn. Присутствие Li + способствует диффузии Li + на границе раздела, в основном потому, что металл Li является очень активным металлом. Даже если он хранится в аргоне, его поверхность будет медленно расти инертным оксидным слоем, препятствуя Li +. Обмен заряда на границе раздела, а осаждение Sn на поверхности слоя Li подавляет окисление отрицательной поверхности лития, что уменьшает сопротивление диффузии Li + на границе раздела.
На следующем рисунке d показана зависимость между ионной проводимостью и температурой электролита в контакте с разной толщиной Sn-слоистых анодов Li. Из рисунка видно, что Li-анод с толщиной Sn Sn толщиной 500 нм имеет наибольшую проводимость, а проводимость увеличивается с температурой. Также показал значительное увеличение.
На следующем рисунке показана циклическая вольтамперограмма Li-катода с покрытием Sn и общего Li-катода. Используя формулу Тафеля для расчета обменного тока на границе раздела электродов, обменный ток композитного электрода Sn-Li достигает 7,5 мА / см2, что значительно выше. В обычных металлических Li-электродах это согласуется с нашими предыдущими результатами, полученными в результате теста EIS. Наличие слоя Sn уменьшает сопротивление интерфейса электрода и ускоряет диффузию Li + на границе раздела электродов.
На следующем рисунке показано осаждение Li отрицательного электрода Li-Sn и отрицательного электрода с общим металлом Li при плотности тока 4 мА / см2. На этом же рисунке мы можем использовать отрицательный электрод Li-Sn (верхняя половина рисунка ниже) во время электроосаждения Li. Он является очень гладким, без образования Li-дендритов. Напротив, поверхность обычных литиевых отрицательных электродов становится очень шероховатой при осаждении Li, и во время непрерывного осаждения начинают появляться дендриты Li. Роль роста литиевого дендрита также может быть подтверждена результатами теста на кнопочную ячейку. Zhengyuan Tu сделал два идентичных листа Li в клетку кнопки и повторный заряд и разряд, чтобы проверить характеристики роста Li dendrites для двух типов отрицательных электродов ( Рисунок c представляет собой электрод Li-Sn, следующий рисунок d - обычный Li-электрод, плотность тока 3 мА / см2, зарядная и разрядная емкость 3mAh / cm2), из рисунка видно, что обычный Li-анод из-за литий-дендритного после 50-часового цикла Прошивка диафрагмы вызвала короткое замыкание в батарее, что вызвало внезапное падение напряжения батареи, в то время как батарея Li-Sn стабильно циклировалась более 500 часов без лифтинда, пробивающего диафрагму.
Zhengyuan Tu использовал вышеупомянутый электрод Li-Sn и электрод NCA для подготовки полной батареи, а полная батарея также показала очень отличную производительность цикла. После 300 циклов скорость удерживания емкости превысила 80%, в то время как батарея с использованием обычного металлического анода Li была После нескольких десятков циклов он потерпел неудачу из-за внутреннего короткого замыкания. Кроме того, исследование ZhengyuanTu также показало, что осаждение Sn на поверхности отрицательного электрода Na может также играть очень хорошую роль в ингибировании роста дендритов, что значительно улучшает срок службы отрицательной батареи Na.
Sn имеет возможность быстрой диффузии Li, но поскольку объемное расширение во время зарядки и разрядки слишком велико, его нельзя применять из-за пылеобразования частиц. Zhengyuan Tu имеет другой способ осаждения Sn на поверхность отрицательного электрода Li или Na, а не только полное использование Sn fast Li. Способность диффундировать тормозит рост Li-дендритов. В то же время, поскольку Sn находится в прямом контакте с Li-металлом, он всегда находится в богатом лития состоянии без сильного расширения объема, тем самым стабилизируя интерфейс Sn-электролита и уменьшая SEI. Разрушение и восстановление мембраны значительно улучшило циклическую стабильность отрицательных электродов Li, Na щелочных металлов, что открыло новый способ применения металлических Li-батарей.
