提高鋰離子電池能量密度的最有效的方法介紹
來源：寶鄂實業(yè)
2020-02-12 12:17
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作為活性物質(zhì)，硅在充電/放電周期內(nèi)插入和脫出鋰時，體積改變到達270%，循環(huán)壽命差。這個體積脹大會導(dǎo)致：
（1）硅顆粒的破壞，以及涂層從銅集流體中別離；
（2）固體電解質(zhì)（SEI）膜在循環(huán)進程中不穩(wěn)定性，體積脹大使SEI決裂并再不斷重復(fù)構(gòu)成，導(dǎo)致鋰離子電池的失效。
壓實工序會使固相接觸更嚴密，進步極片的電子傳輸功能?？墒?，孔隙率太低又會添加鋰離子傳輸阻力，和電極/電解液界面電荷轉(zhuǎn)移阻抗，倍率功能變差。
一般，石墨電極孔隙率優(yōu)化控制在20%-40%，而硅基電極，壓實后功能變差，這些極片一般孔隙率60%-70%，高孔隙率能夠和諧硅基資料的體積脹大，緩沖顆粒劇烈變形，減緩粉化和掉落。可是，高孔隙率硅基負極極片限制了體積能量密度。那么，鋰電池硅基負極極片該怎么制備呢？KarkarZ等人研討了硅電極的制備工藝。
首先，他們采用了兩種拌和方法制備80 wt%的硅，12 wt %的石墨烯和8 wt%的CMC電極漿料：
（1）SM：慣例的球磨渙散工藝；
（2）RAM：兩步超聲渙散工藝，第一步在PH3緩沖溶液（0.17 M檸檬酸+0.07 M KOH）中超聲渙散硅和CMC，第二步加入石墨烯片和水繼續(xù)超聲渙散。
如圖1a和d所示，關(guān)于石墨片，超聲渙散RAM堅持了石墨烯片原始描摹，片長大于10μm，與集流體平行散布，涂層孔隙率更高，而SM拌和使石墨烯片斷裂，石墨烯片長只有幾微米。未壓實的RAM極片孔隙率約72%，大于SM電極的60%。
關(guān)于硅，兩種拌和方法無差別。納米片狀石墨烯具有杰出的電子導(dǎo)通能力，RAM渙散堅持了石墨烯片的完整性，電池循環(huán)功能好。
然后，他們研討了壓實對電極的孔隙率、密度以及電化學(xué)功能的影響。如圖1所示，壓實后，石墨烯片和硅的描摹沒有顯著改變，僅僅涂層更加密實。將極片制作成半電池測試電化學(xué)功能，從圖2可知：
（1）跟著壓實壓力添加，電極孔隙率下降，密度添加，體積比容量添加。
（2）未壓實極片，RAM孔隙率大約72%，大于SM電極的60%。而且RAM電極壓實更加困難，到達35%孔隙率，RAM電極需求15T/cm2壓力，而SM極片只需5T/cm2。這是因為石墨烯片變形困難，RAM極片堅持了石墨烯片狀結(jié)構(gòu)，更難壓實。
（3）根據(jù)完全鋰化硅體積脹大193%核算體積比容量。20 T/cm2壓實下，體積比容量最大，RAM和SM電極孔隙率分為34%、27%，對應(yīng)體積比容量分別 1300mAh/cm3、1400 mAh/cm3。
別的，他們還發(fā)現(xiàn)壓實極片熟化處理能改善循環(huán)功能。極片壓實時，粘結(jié)劑與活物質(zhì)顆?？赡茉陬w粒之間的摩擦力作用下斷裂，甚至粘結(jié)劑自身鍵斷裂，從而極片機械穩(wěn)定性變差，循環(huán)功能裂化（圖4a）。
而熟化進程是把極片放置在濕度80%的環(huán)境下2~3天，在這個進程中，粘結(jié)劑會發(fā)作搬遷，更好地鋪展在活物質(zhì)顆粒表面，從頭樹立更多更牢的銜接，別的，熟化時銅箔會發(fā)作腐蝕，銅箔與粘結(jié)劑構(gòu)成Cu（OC（=O）-R）2化學(xué)鍵，結(jié)合力添加，也會按捺涂層掉落。因而，熟化處理能夠進步極片穩(wěn)定性和循環(huán)功能。
渙散-壓實-熟化進程極片的微觀結(jié)構(gòu)改變示意圖如圖4c所示，壓實導(dǎo)致粘結(jié)劑斷裂，循環(huán)穩(wěn)定性變差，而熟化時粘結(jié)劑搬遷從頭樹立銜接，極片微觀結(jié)構(gòu)發(fā)作改變，機械穩(wěn)定性進步，相應(yīng)循環(huán)功能進步。
如果先對極片熟化處理，再壓實，極片循環(huán)功能有所改善，可是作用不明顯（圖4b）。這是因為熟化增強了極片機械穩(wěn)定性，可是隨后的壓實又破壞了粘結(jié)劑的銜接。
因而，關(guān)于硅基電極，為了進步循環(huán)功能，緩沖硅的體積脹大，極片孔隙率要高，可是為了進步體積能量密度，壓實極片下降極片厚度時，需求在進行極片熟化處理改善電極微觀結(jié)構(gòu)。
