高エネルギー密度と安定したフレキシブルリチウム金属電池を実現するゼロ体積膨張リチウム複合負極の構築
高エネルギー密度と安定したフレキシブルリチウム金属電池を実現するゼロ体積膨張リチウム複合負極の構築
著者情報と記事の要約
2022年、SUSTechのDeng Yonghong氏の研究グループは、香港理工大学のZheng Zijian教授のチーム（筆頭著者：南方科技大学博士課程学生Luo Chao氏）と協力して、ロールツーロール方式を開発した。体積膨張がゼロのリチウム複合アノードを作成します。これにより、リチウム金属のエネルギー密度と電池の曲げ可能な機械的特性が大幅に向上します。負極は、上部に電子絶縁層、下部に親リチオリック層、中央に体積膨張を吸収する多孔質層を備えたサンドイッチ構造となっています。著者らはさらに、NCM と LCO の正極を組み合わせることで、リチウム金属電池の優れた柔軟性とエネルギーを検証しました。密度やサイクル保持などの特性。
図 1. ゼロ体積膨張アノードのリチウムインターカレーションの概略図
テスト計画
1. リチウム複合アノードとリチウム金属フルバッテリーを構築します。
2. 構造特性評価: 形態特性評価 FE-SEM、表面化学構造 XPS、膨潤挙動 SWE2100 (IEST)。
3. 電気化学的性能の特性評価: 控除とソフトパックのサイクル性能。
4. 機械的性能の特性評価: 電極とパウチセルの曲げ性能。
結果分析
形 2.体積膨張ゼロのLi金属アノードの設計原理と体積膨張挙動
著者らは、銅 被覆炭素繊維マトリックス (CuCM) と組み合わせた電子絶縁多孔質膜 (えい 膜) と極薄 リマグネシウム 合金シートを圧延プロセスにより用いて、中空複合リチウム金属負極を作製した。複合材料の形態をSEMおよび元素マッピングによって観察し、サンドイッチ構造のリチウム複合アノードの調製が成功したことを確認した。複合材料のゼロ体積膨張特性を証明するために、著者らは、その場膨張厚さと膨張力試験方法を使用して、李-に-NCM811 単層電池を組み立てました。ゼロVE-李 と明らかに比較できます。充放電サイクル中、アノードの厚さはほとんどありません。または応力の膨張、複合材料の膨張に対する優れた耐性を示します。
図 3. 体積膨張がゼロのリチウム金属アノードの セイ およびサイクル安定性解析
新しいリチウム金属アノードの上部絶縁機能層によってもたらされるリチウム金属界面の変化は XPS によって特徴付けられ、セイ にはリチウム樹枝状結晶に対する最良の抑制効果を持つ無機層 Li3N および リフ が含まれることが証明されました。また、正極が NCM811 と LCO である 2 種類の電池を組み立てると、ゼロVE-李 を負極として使用したときに最も高いサイクル容量維持率を示すことが明確に比較できます。
図 4. 単層リチウム金属フルセルの電気化学的および機械的安定性
動的曲げおよび抵抗試験を通じて、著者は、4,000 回の曲げ実験の後でも、ゼロVE 李 の抵抗および形態は大きく変化せず、優れた柔軟性を示すことを発見しました。ゼロVE 李 電極は、表面負荷の高いフレキシブルな正極と組み合わせて、フレキシブルな電池を組み立てました。電気化学的サイクル安定性および機械的安定性の側面から、ゼロ体積膨張負極は、高いクーロン効率、高いサイクル容量維持率、および良好な屈曲性を示した。
図 5. 多層リチウム金属フルセルの電気化学的および機械的安定性
著者は、両面ゼロ体積膨張アノードの調製を続けており、それが市販のアノード材料よりも高い質量比容量を有することを発見した。組み立てられた多層フレキシブルリチウム金属電池は、重量エネルギー密度と体積エネルギー密度が高く、3000サイクルの曲げ試験後も75％の容量維持率を維持できます。他の関連文書のフレキシブルリチウムベース電池のエネルギー密度値を比較すると、体積膨張ゼロのリチウム複合アノードに基づいてこの研究で開発されたフレキシブルリチウム金属フル電池は、非常に高い表面エネルギー密度（22.7 mWh cm-2）を持っています。実用的な体積エネルギー密度 (375 うーん L-1、正極と負極、隔膜および包装材料の体積に基づく) および記録的な柔軟な品質係数 (FOM、45.6)。
要約する
この論文では、優れた電気化学的性能と機械的柔軟性を備え、リチウム金属電池のエネルギー密度を大幅に向上できる、体積膨潤がゼロのリチウム複合アノードを合成するためのロールツーロール法を開発しました。負極はサンドイッチ構造になっており、上部に電子絶縁層、下部に親リチオリック層、中央に体積膨張を吸収する多孔質層が含まれています。NCM と LCO の正極を適合させることにより、著者は、対応するフレキシブル リチウム金属電池の優れた柔軟性、エネルギー密度、サイクル保持率などの特性をさらに検証しました。ゼロ体積膨張設計は、リチウム金属電池の実用化に新しいアイデアを提供します。ロールツーロール製造プロセスは、大規模生産の可能性も示しています。原則として、このゼロ体積膨張設計は、エネルギー密度、サイクル、および構造安定性を向上させるために、他の金属電池アノード (ナトリウム、カリウム、亜鉛金属電池など) の構築にも適用できます。
原本文書
チャオ ルオ、ホン 胡、ティアン 張、シュジン ウェン、ルオ 王、延安 アン、尚-セン ち、ジュン 王、朝陽 王、ジアン チャン*、ジジャン 鄭*、永紅 鄧小平*。&注意;Zeのロールツーロール製造高エネルギー密度で柔軟かつ安定したリチウム金属電池を実現するro-体積膨張型リチウム複合負極。先端材料、土肥.組織/10.1002/アドマ.202205677。
IEST関連試験機器の推奨
スウェーデン シリーズその場膨潤システム (IEST): 安定性と信頼性の高い自動化プラットフォームを使用し、高精度の厚さ測定センサーを装備し、電気コアの充電放電プロセス全体の厚さの変化と変化率を測定できます。次の機能を実現できます。
1.一定の圧力下でバッテリーの膨張厚さ曲線をテストします。
2.一定のギャップの条件下でバッテリーの膨張力曲線をテストします。
3.電池圧縮性能試験：応力-ひずみ曲線圧縮係数d
4.バッテリーの膨張力の段階的なテスト。
5.異なる温度制御：-20〜80℃。
