Forskere forbedrer cykelydelsen af ​​Al-baserede batterier med katode med høj arealdensitet

Lithium-ion-batterier (LIB'er) er den dominerende strømkilde til bærbar elektronik og elektriske køretøjer. Imidlertid, grafitanodens relativt lave teoretiske kapacitet (372 mAh g ^-1 ) hindrer forbedringen af ​​energitætheden af ​​LIB'er. Derfor, udnyttelse af anodematerialer med høj kapacitet tiltrækker stigende opmærksomhed.

Blandt forskellige anodematerialer, aluminium (Al) er en lovende kandidat på grund af sin fremragende ledningsevne, høj teoretisk kapacitet, lavt udledningspotentiale, naturlig overflod, og især lave omkostninger. Imidlertid, Al-baserede anoder undersøges normalt i halvceller eller fulde celler med lav katodearealtæthed ( <2 mg cm-2), hvilket langt fra er et praktisk krav.

For nylig, et forskerhold ledet af prof. Tang Yongbing og Dr. Zhang Miao ved Shenzhen Institutes of Advanced Technology (SIAT) fra det kinesiske videnskabsakademi udgav en artikel med titlen "Uniform Distribution of Alloying/Dealloying Stress for High Structural Stability of Al Anode in High Areal Density Lithium Ion Battery" tændt Avancerede materialer , som viste, hvordan forskerne forbedrede cykelydelsen af ​​Al-baserede batterier med en katode med høj arealdensitet.

I tidligere undersøgelser, holdet udviklede en ny lithium-ion batteri konfiguration med høj effektivitet og lave omkostninger, som brugte et integreret design af aluminiumsfolie til at erstatte grafitanoden og Cu-strømkollektoren på konventionelle LIB'er, udeladelse af konventionelle anodematerialer. Dermed, dødvægt og dødvolumen kan reduceres betydeligt, yderligere forbedring af energitætheden for dette batteri. Alligevel, denne integrerede anode har også et problem med cyklusstabilitet, når den er samlet med en katode med høj arealdensitet.

I dette arbejde, holdet fandt, at revnedannelsen og pulveriseringen af ​​Al-anoden kunne tilskrives den ujævne ladnings-/udledningsreaktion langs grænserne af uberørt Al, hvilket førte til spændingskoncentrationen og det ultimative svigt af Al-anoden. De fandt derefter ud af, at det var muligt at forlænge Al-anodens levetid via ensartet fordeling af legerings-/aflegeringsspændingen.

Tang og hans samarbejdspartnere fremmede en inaktiv (Cu) og aktiv (Al) kodningsstrategi for homogent at fordele legeringsstederne og sprede spændingen ved volumenudvidelse, hvilket er gavnligt til at opnå den strukturelle stabilitet af Al-anoden (nemlig Cu-Al@Al).

På grund af den homogene reaktion og ensartede fordeling af stress under opladning/afladningsprocessen, det fulde batteri af Cu-Al@Al samlet med en høj LiFePO ₄ katodearealtæthed på 7,4 mg cm-2 opnåede en kapacitetsbevarelse på ~88% over 200 cyklusser, hvilket er den bedste ydeevne af Al-anoder i fulde batterier med en katode med så høj arealtæthed.

Undersøgelsen tyder på, at dette inaktive/aktive design giver en levedygtig måde at løse problemet med Al-anoder og giver muligheder for praktiske anvendelser af Al-anoder.