Sulfido pagrindu pagamintos visos kietojo kūno ličio baterijos anodas – 2 dalis, kiti anodai

Naujausia pažanga, susijusi su sulfidų pagrindu pagamintų kietojo kūno ličio baterijų anodu

—— 2 dalis Kiti anodai

Autorius:

JIA Linan, DU Yibo, GUO Bangjun, ZHANG Xi

1. Mechanikos inžinerijos mokykla, Šanchajaus Jiao Tong universitetas, Šanchajus 200241, Kinija

2. Shanghai Yili New Energy Technology Co., LTD. , Šanchajus 201306, Kinija

Ličio lydinio anodas

Dėl didelių sąsajų šalutinių reakcijų gryną litį sunku per trumpą laiką tiesiogiai panaudoti kietuose sulfidiniuose elektrolituose, todėl ličio lydinio medžiagos yra patrauklesnis pasirinkimas. Palyginti su metaliniais ličio anodais, ličio lydinio anodai gali pagerinti sąsajos drėkinamumą, slopinti sąsajos šalutinių reakcijų atsiradimą, padidinti kietojo elektrolito sąsajos cheminį ir mechaninį stabilumą ir išvengti trumpųjų jungimų, kuriuos sukelia ličio dendritų augimas. Tuo pačiu metu, palyginti su skystomis ličio jonų baterijomis, lydinio anodai gali rodyti didesnį energijos tankį ir geresnį stabilumą kietojo kūno akumuliatoriuose. Tačiau lydinio neigiami elektrodai įkrovimo ir iškrovimo metu patirs didesnius tūrio ir struktūrinius pokyčius (pvz., Li-Si lydinys, Li-Sn lydinys ir kt.), todėl reikia atlikti tolesnius lydinio medžiagų kūrimo ir taikymo tyrimus. Tarp įvairių ličio lydinių Li-In lydinys yra populiarus laboratoriniu mastu dėl geresnio mechaninio lankstumo ir pastovaus redokso potencialo (0.62 V vs Li+/Li) plačiame stechiometriniame diapazone. Li-In lydiniai paprastai laikomi termodinamiškai ir kinetiškai stabiliomis sulfidinių elektrolitų medžiagomis. Jis plačiai naudojamas laboratorijose elektrolitų ar katodinių medžiagų veikimui tikrinti, tuo pačiu parodant gerą ciklo stabilumą esant mažos srovės ir mažos apkrovos sąlygoms. Tačiau Li-In lydinio redokso potencialas ir molekulinė masė yra dideli, o tai labai sumažina kietojo kūno ličio jonų akumuliatorių energijos tankio pranašumą. Paprastai tyrimais manoma, kad Li-In lydiniuose ličio dendritai neauga. Tačiau Luo ir kt. atliko Li-In|LPSCl|LNO@NCM622 kietojo kūno akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo bandymus esant dideliam srovės tankiui (3,8 mA·cm-2) ir didelei apkrovai (4 mA·h·cm{{23} }). Po maždaug 900 ciklų akumuliatoriuje buvo nustatytas trumpasis jungimas. Akumuliatorius išlaikė stabilią ciklo talpą ir beveik 100% kuloninį efektyvumą per įkrovimo ir iškrovimo ciklus iki 890 ciklų, tačiau po 891 ciklų talpa pradėjo sparčiai mažėti, o 897 ciklo metu sumažėjo beveik iki 0. Atitinkama akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo įtampos kreivė nuo 891-ojo iki 897-ojo ciklo, kuriame įkrovimo talpa palaipsniui didėja, o atitinkama iškrovimo talpa mažėja. 897-ajame cikle akumuliatorius ir toliau kraunamas, o talpa toliau didėja, kartu su mažesniu įtampos didėjimo greičiu, o tai rodo vidinį trumpąjį jungimą ir akumuliatoriaus gedimą. Li-In dendritų augimo mechanizmas buvo atskleistas naudojant SEM, XPS ir kitas charakteristikas bei AIMD modeliavimą. Nurodo, kad esant didelės srovės ir didelės apkrovos sąlygoms. Metallic In yra termodinamiškai ir kinetiškai nestabilus sulfidiniams elektrolitams. Tūrio pokyčiai ir nedidelės sąsajos reakcijos skatina Li-In dendritų augimą, o tai galiausiai lemia akumuliatoriaus gedimą ilgų ciklų metu. Skirtingai nuo vertikalaus ličio dendritų augimo, Li-In dendritų augimo būdas yra šoninis augimas išilgai porų ir grūdelių ribų. Augimo greitis yra lėtas ir mažai pažeidžia sulfido elektrolito struktūrą (6 pav.). Todėl Li-In dendrito augimą galima slopinti gerinant metalo elektrodo / kieto elektrolito elektrocheminį stabilumą ir sumažinant elektrolito poringumą.

6 pav. Li-In|LPSCl|LNO@NCM622 elemento sąsajos evoliucija prieš ir po ciklo

Al turi didelį lankstumą, dideles atsargas ir didelį elektroninį laidumą. Jis turi didelę teorinę specifinę talpą (990 mA·h·g-1) ir nedidelį tūrio plėtimosi greitį (96 %) tarp ličio lydinių medžiagų. Tai viena iš perspektyviausių kietojo kūno ličio baterijų anodo medžiagų. Kaip parodyta 7 paveiksle (a), Pan ir kt. paruoštas Li-Al lydinio neigiamas elektrodas be rišiklio ir laidžios medžiagos (Li0.8Al, specifinė talpa 793 mA·h·g-1, 0,35 V vs Li+/Li). Gerai suderinamas su LGPS elektrolitu. Taip yra dėl to, kad paruošto Li-Al lydinio anodo darbinis potencialas neviršija faktinio LGPS elektrocheminio stabilumo lango [1 pav. 7(b)]. Kad elektrolitas nesumažėtų ir nesuirtų, surinktas kietojo kūno akumuliatorius pasižymėjo puikiu grįžtamumu, o talpos išsaugojimo rodiklis per 200 ciklų siekė net 93,29%. Esant N/P santykiui 1,25, akumuliatoriaus energijos tankis pasiekė 541 W·h·kg-1, o tai įrodo, kad Li-Al lydinys turi puikias taikymo galimybes.

7 pav. Li-Al lydinio anodo ASSLB schemos

Sakuma ir kt. ištyrė Li-Sn lydinio, Li-Si lydinio ir Li4-x Ge1-x P x S4 elektrolito atitikimą ir pastebėjo mažesnę sąsajos varžą bei didesnį redokso potencialą. Hashimoto ir kt. naudojo didelės energijos rutulinį frezavimą, kad paruoštų Li4.4Ge x Si1-x (x=0~1.0) seriją. Tarp jų Li4.4Ge0.67Si0.33 pasižymi didžiausiu specifiniu pajėgumu (190 mA·h·g-1) ir turi gerą įkrovimo ir iškrovimo grįžtamumą. Park ir kt. naudojo mechaninį rutulinį frezavimą ličio miltelių ir silicio miltelių maišymui ir malimui, kad paruoštų Li4.4Si lydinį, Li4Ti5O12 teigiamą elektrodą ir Li2S-P2S5 elektrolitą, kad būtų galima surinkti visiškai kietojo kūno ličio bateriją. Tyrimo metu nustatyta, kad akumuliatoriaus veikimas žymiai pagerėjo po antrinio Li-Si lydinio rutulinio frezavimo, ty sumažėjus ličio-Si lydinio dalelių dydžiui, ličio nusėdimas ir pašalinimas buvo palankus tolygiai. įkrovimo ir iškrovimo procesas.

Ličio lydinio plėvelės taip pat gali būti naudojamos kaip priemonė stabilizuoti neigiamą elektrodo sąsają. Choi ir kt. naudojo paprastą valcavimo metodą, kad sujungtų 10 μm storio Ag ir 150 μm storio Li, o tada iš išorės taikytas slėgis, kad gautų Li-Ag lydinio plėvelę. Didelis Ag kiekis lengvai sudaro stabilią sąsają su sulfido elektrolitu ir slopina ličio dendritų augimą. Be to, likęs nedidelis Ag kiekis, kuris nesudaro Li-Ag lydinio, dalyvauja kieto tirpalo reakcijoje su Li, o tai palengvina netolygų ličio augimą. Surinktos visos kietosios būsenos baterijos talpa išlaikė 94,3 % per 140 ciklų, be to, ji galėjo stabiliai veikti dideliu greičiu – 12 C. Kato et al. nustatė, kad Au plėvelės įdėjimas į Li / Li3PS4 elektrolito sąsają gali užkirsti kelią tuštumų susidarymui po pradinio ličio ištirpimo ir padidinti Li nusėdimo vietas, o tai padeda pagerinti akumuliatoriaus grįžtamumą. Be to, Au plėvelės ištirpimas į metalinį litį gali būti priežastis pagerinti neigiamo elektrodo sąsajos elektrochemines savybes. Li-simetriniai elementai su Au plėvele, įdėta prie Li/Li3PS4 sąsajos, gali stabiliai veikti esant dideliam srovės tankiui (1,3 mA·cm-2) ir didelės srities talpai (6,5 mA·h·cm{21}} ) be trumpojo jungimo. Surinktos Li/Au/Li3PS4/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 kietojo kūno akumuliatoriaus veikimo laikas yra daugiau nei 200 kartų, esant dideliam 2,4 mA·cm-2 srovės tankiui.

Silicio anodas

Si yra laikoma viena iš perspektyviausių anodo medžiagų dėl itin didelės teorinės specifinės talpos (4200 mA·h·g-1), didelių rezervų, mažos kainos, ekologiškumo, netoksiškumas ir mažas darbinis potencialas – 0,4 V. Si anodų taikymo skystuose ličio jonų akumuliatoriuose tyrimai buvo kuriami daugiau nei trisdešimt metų ir vis dar labai populiarūs. Neseniai, kai visiškai kietojo kūno ličio baterijos pateko į energijos tyrimų lauką, buvo pradėtas darbas, skirtas gerai išvystytą silicio technologiją konvertuoti iš skystų ličio jonų baterijų sistemų į kietojo kūno akumuliatorių sistemas. Tačiau, palyginti su didelės talpos silicio anodų, skirtų skystoms ličio jonų baterijoms, kūrimo tyrimais, nors yra nedaug pranešimų apie silicio anodų, pagrįstų sulfido kietojo kūno akumuliatoriais, taikymą, parodyti rezultatai vis dar yra gana svarbūs. Tačiau Si anodo elektroninis laidumas yra mažas (1,56 × 10-3 S·m-1), mažas ličio jonų difuzijos koeficientas (10-14-10-13 cm2·S-1) ir didelis tūrio padidėjimas (Li4. 4Si yra apie 360%) ir kiti trūkumai, kas riboja jo taikymo sritį. Priežastis, kodėl Si neigiamas elektrodas sugenda akumuliatoriuje, paprastai yra dėl didelio Si tūrio išsiplėtimo litavimo / delitinimo proceso metu, dėl kurio atsiranda miltelių susidarymas, įtrūkimai ir didžiulis įtempis, o tai sukelia daugybę rimtų destruktyvių pasekmių. Pavyzdžiui: (1) Elektrodo struktūrinio vientisumo pablogėjimas dėl pasikartojančio gniuždymo iškrovimo/įkrovimo metu. (2) Elektrodo ir srovės kolektoriaus atjungimas dėl sąsajos įtempių. (3) Ličio jonai nuolat suvartojami nuolatinio SEI sluoksnio formavimo-destrukcijos-reformacijos proceso metu.

Šiuo metu dažniausiai naudojami kietojo kūno ličio baterijų silicio anodų optimizavimo metodai apima dydžio kontrolę (nanosilicis), konstrukcinį dizainą, plonasluoksnius anodus, legiravimą, slėgio taikymą, kompozitinius anodus su pažangiais rišikliais / laidžiomis medžiagomis (pvz., Si). -C anodai) ir tt Sakabe ir kt. naudojo magnetroninį purškimą, kad paruoštų neakytas ir akytas amorfines silicio anodus, ir sujungė juos su 80Li2S·20P2S5 elektrolitu, kad atliktų ciklo pajėgumų bandymus. Po 1 00 ciklų 3,00 µm storio neporingos amorfinės silicio plėvelės talpa buvo tik apie 47 %, palyginti su 10 ciklu. 4,73 µm porėtos amorfinio silicio plėvelės litavimo talpa siekia net 3000 mA·h·g-1. Po 100 ciklų talpos išlaikymo rodiklis, palyginti su 10 ciklu, viršija 93%. Tai rodo, kad porėta struktūra gali veiksmingai pagerinti akumuliatoriaus ciklo stabilumą. Okuno ir kt. akytasis silicio kompozitinis anodas pritaikė kietojo kūno akumuliatorių su Li3PS4 elektrolitu ir per 100 ciklų parodė didelę talpos sulaikymo koeficientą, daugiau nei 90%. Taip yra todėl, kad silicio dalelėse esančios poros išsprendžia didžiulius tūrio pokyčius litacijos ir delitacijos metu, pagerindamos ciklo stabilumą. Priešingai, komercinių neakytų silicio anodų ciklo stabilumas yra prastas, o talpos išlaikymas per 100 ciklų yra tik 20% ar net mažesnis. Poetke ir kt. pranešė, kad silicio ir anglies kompozicinės tuščios nanomedžiagos buvo naudojamos kaip neigiami elektrodai kietojo kūno ličio jonų baterijoms ir buvo sėkmingai pritaikytos Si-C|Li6PS5Cl|NCM pilnoms baterijoms. Tyrime naudojamas nanostruktūrinis Si-C kompozitas sudaro tarpą tarp silicio nanodalelių (SiNP) ir išorinio anglies apvalkalo. Anglies apvalkalas gali veiksmingai kompensuoti silicio tūrio pokyčius, pagerindamas elektrochemines savybes, palyginti su plikomis SiNP.

Pastaraisiais metais akademinė bendruomenė ne kartą pasiekė lūžių gryno silicio anodų tyrimų srityje. 2020, Cangaz ir kt. pranešė apie koloninį silicio anodą, paruoštą PVD procesu ir sujungtą su Li6PS5Cl elektrolitu ir LiNi0.9Co{{90}}.05Mn0,05O2 katodu paruošti visos kietojo kūno akumuliatorius, kurio specifinė talpa (210 mA·h·g{13}}). Koloninis silicio anodas buvo stabiliai apdirbamas daugiau nei 100 kartų esant didelei 3,5 mA·h·cm-2 apkrovai, o kuloninis efektyvumas siekia net 99,7–99,9 %. Ciklo metu stulpelinė silicio struktūra turi vienmatį kvėpavimo efektą, panašų į ličio anodo vertikalia kryptimi. Šį vienmatį kvėpavimą galima kompensuoti vidiniu stulpelio silicio struktūros poringumu ir išoriniu krūvos slėgiu, suformuojant stabilų dvimatį SEI. Tuo pačiu metu kamino slėgis (20 MPa) taip pat slopina koloninio silicio ir srovės kolektoriaus atsisluoksniavimą. Palyginti su metaliniais ličio anodais, šis koloninis silicio anodas pašalina ličio dendritų, trumpojo jungimo ir mirusio ličio praradimo riziką. 2021 metais Tan ir kt. pranešė apie 99,9,9% (masės) komercinį mikronų gryno silicio Si (μ-Si) anodą. Sąsajos kontakto sritis tarp neigiamo elektrodo ir Li6PS5Cl elektrolito yra dvimatė plokštuma, net jei įkrovimo ir iškrovimo metu tūris padidėja. Tačiau dvimatė plokštuma vis dar išlaikoma ir nesusidaro nauja sąsaja. Li-Si lydinys, sudarytas iš lituoto μ-Si neigiamo elektrodo, pasižymi unikaliomis cheminėmis ir mechaninėmis savybėmis, todėl padidėja neigiamo elektrodo ir elektrolito sąlyčio plotas [8(a) pav.]. Visiškai kietojo kūno ličio baterija, surinkta iš μ-Si, Li6PS5Cl elektrolito ir NCM811, gali stabiliai veikti esant dideliam paviršiaus srovės tankiui (5 mA·cm-2) ir plačiam temperatūrų diapazonui (-20~). 80 laipsnių). Po 500 stabilių ciklų jo talpos išsaugojimo rodiklis yra 80%, o vidutinis kuloninis efektyvumas yra 99,95% [8 pav. (b)], o tai yra geriausias iki šiol aprašytas mikro silicio kietojo kūno akumuliatorių našumas. Verta paminėti, kad μ-Si anodas patiria didelio srovės tankio ciklą be laidžių anglies medžiagų, veiksmingai slopindamas sulfido elektrolito skilimą. Jame pateikiamos naujos idėjos apie neigiamą anglies poveikį Si-C kompozitiniuose elektroduose įprastiniam mąstymui. 2022 m. Cao ir kt. rutuliniu frezavimu paruoštas sudėtinis neigiamas elektrodas, sudarytas iš nano-silicio (nm-Si) dalelių, laidžios anglies ir Li6PS5Cl. Kompozitinio neigiamo elektrodo viduje yra geras elektroninis ir jonų laidumas, kuris gali veiksmingai sumažinti vietinės srovės tankį ir slopinti ličio dendritų susidarymą neigiamo elektrodo paviršiuje. Jis derinamas su monokristaline NMC811 katodo medžiaga, padengta sol-gelio metodu. Kaip elektrolitą naudojant Li6PS5Cl plėvelę, kurios storis 47 μm, buvo gauta visiškai kietojo kūno ličio baterija, kurios energijos tankis iki 285 W · h · kg -1. Pilna baterija pasiekė didelę 145 mA·h·g-1 talpą esant C/3 1000 stabilių ciklų. Kompozitinis silicio anodas rodo didelio masto gamybos perspektyvą, žymiai sumažina sąnaudas ir nurodo kietojo kūno ličio baterijų komercializavimo kryptį. Skirtingai nuo Tan neigiamo elektrodo dizaino koncepcijos, šis sudėtinis neigiamas elektrodas ne tik prideda elektrolito, bet ir prideda anglies laidžio agento. Priežastis ta, kad, palyginti su μ-Si, nm-Si turi didesnį paviršiaus plotą, silicio anode yra daugiau ribų, o nm-Si paviršiuje paprastai yra SiO sluoksnis. Todėl elektros laidumas paprastai yra 3 dydžiais mažesnis nei μ-Si, o tai trukdo elektronų laidumui įkrovimo ir iškrovimo metu. Eksperimentai rodo, kad ličio pašalinimo iš šio nm-Si anodo metu elektrolitas tik šiek tiek suyra, o ličio dendritai nesusidaro. Remiantis aukščiau pateikta sistema, Cao ir kt. pasiūlė baterijų architektūrą su dvipoliu kamino dizainu. Pavieniai elementai yra nuosekliai sujungti per srovės kolektorių, kad būtų sumažintas neaktyvių medžiagų naudojimas ir taip būtų pasiektas didesnis energijos tankis. Tiksliau sakant, dviejų sluoksnių sukrauta kietojo kūno ličio baterija, pagaminta iš sąsajai stabilių pavienių kristalų LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2, Li6PS5Cl ir nm-Si, yra atitinkamai teigiamas elektrodas, elektrolitas ir neigiamas elektrodas. aukšta 8,2 V įtampa. Akumuliatoriaus lygio energijos tankis yra 204 W·h·kg{104}}, o tai yra didesnis nei 189 W·h·kg{106}} vieno akumuliatoriaus. Šis dvipolis sukrautas dizainas turi gerą atskaitos reikšmę visam kietojo kūno akumuliatoriaus laukui.

8 pav. Sąsajos apibūdinimas ir važiavimo ciklais našumas tarp µ-Si anodo ir Li6PS5Cl ASSLB

1 lentelėje apibendrinti tirpalai, skirti kieto sulfido elektrolito/anodo sąsajai ir atitinkami privalumai bei trūkumai.

1 lentelė Anodų ir kietojo kūno elektrolitų, kurių pagrindą sudaro sulfidai, sąsajų problemų sprendimo strategijos

Kiti anodai

Sidabro anglies neigiamas elektrodas

Lee ir kt. pranešė apie kietojo kūno akumuliatoriaus konstrukciją, naudojant sidabro-anglies (Ag/C) tarpsluoksnį [9 pav. (a)]. Ši tarpsluoksnio konstrukcija efektyviai reguliuoja ličio nusodinimo procesą, o tarp Ag/C sluoksnio ir srovės kolektoriaus stebimi labai grįžtami ličio nusėdimo ir nusodinimo reiškiniai. Tarp jų C naudojamas atskirti Li6PS5Cl elektrolitą nuo nusėdusio metalinio ličio, kuris ne tik padeda išvengti elektrolito redukcijos, bet ir neleidžia susidaryti ličio dendritams. Ag gali sumažinti metalinio ličio branduolių susidarymo energiją, kad susidarytų Ag-Li lydinys. Dalis Ag juda į srovės kolektoriaus paviršių, kad susidarytų kietas tirpalas su metaliniu ličiu, skatinantis vienodą ličio nusėdimą. Po iškrovimo metalinis ličio sluoksnis visiškai ištirpsta, o Ag lieka tarp srovės kolektoriaus ir Ag-C sluoksnio. Ši konstrukcija gali prisitaikyti prie metalinio ličio tūrio pokyčio važiuojant dviračiu, sumažinti vietinį ličio anodo srovės tankį ir pagerinti ciklo stabilumą. Kaip parodyta 9(b) paveiksle, surinktas maišelio akumuliatorius (0,6 A·h) pasižymi dideliu energijos tankiu (didesnis nei 900 W·h·L-1) esant 60 laipsnių kampui. Stabilus kuloninis efektyvumas viršija 99,8%. Ilgas ciklo tarnavimo laikas (1000 ciklų). Jame pateikiamos naujos kietojo kūno ličio baterijų komercinio pritaikymo idėjos.

9 pav. Struktūra ir ciklo našumas naudojant sulfidų pagrindu pagamintus ASSLB, naudojamus Ag-C anodo

Grafitas

Tarp įvairių interkaluotų anodo medžiagų, skirtų ličio jonų akumuliatoriams, grafitas yra komerciškai sėkmingiausia medžiaga dėl mažos kainos, didelių atsargų ir ilgo veikimo. Tačiau kietojo kūno baterijų srityje grafitas dėl ribotos teorinės talpos netapo neigiamų elektrodų medžiagos pasirinkimo židiniu. Ankstyvosiose ataskaitose grafitas dažnai buvo naudojamas kaip anodo medžiaga naujai susintetinti kietieji sulfidiniai elektrolitai. Vėliau tyrimai buvo skirti pagrindiniam grafito veikimo mechanizmui sulfidiniuose ASSLB, siekiant optimizuoti elektrodų dizainą ir gamybą. Naujausiuose tyrimuose grafitas dažnai naudojamas kaip didelės energijos anodo medžiagų karkasas, užtikrinantis konstrukcijos vientisumą ir elektrinį laidumą. Tačiau kiti srovės neigiami elektrodai, tokie kaip ličio ir silicio, vis dar turi problemų, tokių kaip didelė kaina, didelis tūrio plėtimosi greitis ir nestabilus ciklas. Todėl grafitas, kaip pigi medžiaga, didelėmis atsargomis, aukštu komercializavimo laipsniu ir dideliu stabilumu, gali atlikti svarbų vaidmenį kuriant kietojo kūno baterijas ankstyvosiose stadijose. Būtina nuolat optimizuoti turimą grafito talpą.

Srovės kolektoriaus išankstinis apdorojimas

Beanodinės ličio jonų baterijos surenka srovės rinktuvą tiesiai su baterija, nepridedant ličio pertekliaus, o metalinis litis susidaro sumažinus ličio jonus ant srovės kolektoriaus iš visiškai ličio katodo padengimo pirmojo įkrovimo ciklo metu. Ši koncepcija buvo plačiai ištirta ličio jonų baterijų srityje, o kai kurios komandos išplėtė šią konstrukciją ir taiko visiškai kietojo kūno ličio baterijas. Gu ir kt. įvairiais laipsniais išgraviravo nerūdijančio plieno srovės kolektoriaus (SSCC) paviršių, suderino jį su Li5.5PS4.5Cl1.5 kietu elektrolitu ir atliko elektrostatinį ciklą naudojant asimetrinę akumuliatoriaus konfigūraciją (ličio folija|nerūdijančio plieno folija). Eksperimentų rezultatai rodo, kad skirtingi SSCC nelygumai turi didesnę įtaką akumuliatoriaus veikimui. Visiškai kietojo kūno akumuliatoriai, surinkti su SSCC, kurių šiurkštumas yra 180 nm, pasižymi geresnėmis elektrocheminio ciklo savybėmis nei baterijos, kurių šiurkštumas yra tik 20 nm. Taip yra dėl to, kad šiurkštus paviršius padidina kontaktinius taškus tarp elektrolito ir srovės kolektoriaus, suteikia daugybę reakcijos taškų ir leidžia tolygiai nusodinti ličio sąsają. Tačiau kai paviršiaus šiurkštumas viršija 500 nm, dėl labai grublėto paviršiaus ličio jonai vos pasiekia ribotus kontaktinius taškus išgraviruotame srovės kolektoriaus apačioje. Tai sumažina ličio nusodinimą ir blogiau veikia. Šis reiškinys nevyksta skystose baterijose. Tai rodo, kad sąveika tarp kietojo elektrolito ir srovės kolektoriaus labai skiriasi nuo skysto elektrolito sąveikos. Būtina toliau tirti pagrindinį veikimo mechanizmą ir charakteristikas, kad būtų galima atlikti neigiamo elektrodų neturinčio kietojo kūno akumuliatoriaus srovės kolektoriaus konstrukciją.

Santrauka ir perspektyva

Atsiradus LGPS su dideliu joniniu laidumu, labai padaugėjo sulfidinių kietojo kūno ličio jonų baterijų tyrimų. Tarp jų anodo medžiagų parinkimas ir sąsajos problemų sprendimas tapo vienu iš tyrimų akcentų. Daugelis mokslininkų išsamiai apibendrino ličio anodo / sulfido elektrolito sąsajos tyrimų pažangą. Šiame straipsnyje pateikiama sisteminga pagrindinių kietojo kūno ličio baterijų, kurių pagrindą sudaro sulfidiniai elektrolitai, pavyzdžiui, metalinis litis, ličio lydiniai ir silicio anodai, anodų medžiagų apžvalga. Buvo pasiūlyta sąsajos tarp ličio anodo ir sulfido elektrolito problema ir apibendrintos bendrosios sąsajos savybių gerinimo strategijos. Šiuo metu visos kietojo kūno ličio jonų baterijos vis dar yra toli nuo komercinio pritaikymo ir jiems trūksta visų pagrindinių teorinių tyrimų ir techninės paramos. Todėl tolesniuose tyrimuose vis dar reikia atkreipti dėmesį į šiuos klausimus.

(1) Ličio lydinio anodai pasižymi puikia ličio kaupimo talpa ir stabilesniu veikimu, taip pat parodė didelį potencialą sprendžiant ličio anodo dendrito augimą ir trumpąjį jungimą, siekiant didelio energijos tankio ir ilgalaikio stabilumo visų kietojo kūno ličio baterijų. Viso kietojo kūno akumuliatorių srityje dėl kietojo ir kieto junginio sąsajos kontaktinių charakteristikų galima išspręsti pakartotinio SEI susidarymo problemą, kurią sukelia lydinių medžiagų ir skystų elektrolitų reakcija. Siekiant geriau pritaikyti lydinio anodus, reikia atlikti pagrindinius ir taikomuosius darbus, siekiant geriau suprasti kietojo kūno akumuliatorių lydinio anodų chemiją, elektrochemiją, mechanines savybes ir veikimo mechanizmą, kad būtų patenkintas didelio talpos, ilgalaikės stabilios kietojo kūno baterijos. .

(2) Silicio anodai gali maksimaliai padidinti visų kietojo kūno ličio jonų baterijų energijos tankį. Tačiau, kadangi silicio elektroninis laidumas yra žemas, dažniausiai naudojamos anglies laidžios medžiagos pagreitins sulfidinių elektrolitų skilimą. Kaip reguliuoti silicio anodo sudėties parametrus, kad jis nepaveiktų elektrodo laidžiojo kelio ir nesukeltų sulfido elektrolito skilimo, yra didelis iššūkis, su kuriuo susiduria silicio anodo paruošimo procesas. Tai taip pat yra techninė kliūtis didelio masto silicio anodų pramonei sulfidinėse kietojo kūno baterijose.

(3) Į mažų atsargų ir didelės metalinio ličio kainos problemas taip pat reikia atkreipti dėmesį, kai naudojamasi komerciniais tikslais. Nors metalinis ličio anodas yra naudingas ličio dengimo procesui, jis nėra būtinas komponentas norint pasiekti elektrocheminės reakcijos ličio dengimą. Ličio metalo naudojimo sąlygos yra itin griežtos, o masinė ličio baterijų gamyba kels didžiulį pavojų saugai. Todėl, siekiant sumažinti išlaidas, pagerinti saugumą ir pasiekti galutinį komercializavimą, visų kietojo kūno ličio baterijų kūrimas be ličio anodų yra tyrimų kryptis. Pavyzdžiui, Ag-C kompozicinio elektrodo tyrimas suteikia gerą idėją kitam darbui. Be to, pagrindiniam srovės kolektorių veikimo mechanizmui ir charakteristikoms taip pat reikia atlikti tolesnius tyrimus, siekiant tikslingai iš anksto apdoroti srovės kolektorius, kad būtų galima gauti aukštos kokybės kietojo kūno baterijas be neigiamų elektrodų.

Neigiamų elektrodų medžiagų kūrimas kietojo kūno baterijų srityje dar turi nuveikti ilgą kelią. Gilėjant tyrimams, visos kietojo kūno baterijos, pagrįstos didelės energijos neigiamais elektrodais, neabejotinai parodys savo unikalius pranašumus antrinių baterijų srityje.