تطبيقات -رقائق النحاس المطلية بالكربون المستخدمة في بطاريات أيون الليثيوم-

مع التطور السريع لقطاع مركبات الطاقة الجديدة، يتزايد الطلب على كثافة طاقة أعلى في بطاريات أيون الليثيوم- الثانوية. إن تحسين الطاقة النوعية للبطاريات لا يفيد نطاق قيادة السيارات الكهربائية فحسب، بل قد يخفف أيضًا بشكل كبير من التحدي الحالي المتمثل في ارتفاع التكاليف. مع استمرار ارتفاع كثافة الطاقة لبطاريات أيون الليثيوم-، أصبح الجمع بين كاثودات النيكل العالية-وأنودات السيليكون-الكربون هو التكوين القياسي لتطوير بطاريات أيون الليثيوم-الجيل القادم عالية-الطاقة-الكثافة-. ومع ذلك، يخضع السيليكون لتغيرات كبيرة في الحجم أثناء دورات الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى سحق جزيئات المادة النشطة، وفقدان نقاط الاتصال مع العوامل الموصلة، وحتى الانفصال عن المجمع الحالي. وينتج عن ذلك تدهور سريع في القدرة وتقصير دورة حياة أنودات السيليكون-الكربون، مما يعيق تطبيقها في بطاريات أيون الليثيوم-.

لقد كان تطوير مواد أنود الكربون-السيليكون بمثابة محور تركيز في أبحاث بطاريات أيون الليثيوم- منذ فترة طويلة، والتي تركز بشكل أساسي على تحسين المادة نفسها وتعديلها. يتضمن ذلك تحسين حجم الجسيمات وبنية مادة السيليكون، بالإضافة إلى بنية وطرق تركيب كربون السيليكون-. ولتحقيق التطبيق العملي لمواد الأنود الكربوني- المصنوعة من السيليكون، فقد حظي تحسينها أثناء عمليات تصميم وتصنيع القطب الكهربائي وحتى تصميم البطاريات باهتمام وأبحاث متزايدة. تتضمن الأمثلة تحسين العوامل الموصلة، والمواد الرابطة المستخدمة في عملية الملاط، وكثافة مساحة الطلاء، وكثافة الضغط، وتكوين المنحل بالكهرباء، وعمليات التكوين.

باعتبارها عنصرًا أساسيًا في القطب، تدعم رقائق النحاس المادة النشطة للقطب السالب أثناء جمع الإلكترونات المولدة وتوصيلها إلى الدائرة الخارجية لتكوين التيار. إذا كان الالتصاق بين المادة النشطة ورقاقة النحاس غير كافٍ، فمن الممكن أن تنفصل جزيئات كربون السيليكون- بسهولة عن رقاقة النحاس أثناء ركوب الدراجات نظرًا للتغيرات الكبيرة في حجمها، مما يؤدي إلى ضعف أداء الدورة. لتحسين عمر دورة البطاريات، تستخدم هذه الدراسة رقائق النحاس المطلية بطبقة كربون موصلة لتشغيل البطاريات. باستخدام عملية التراص، تم تصنيع خلايا الطاقة ذات الأكياس بقدرة 9.5 Ah باستخدام مادة ثلاثية مثل الكاثود ومركب كربون أكسيد السيليكون - مثل الأنود. تمت دراسة تأثيرات رقائق النحاس المطلية بالكربون-مقارنة برقائق النحاس العادية الناعمة-المزدوجة الجوانب على قدرة المعدل وأداء درجة الحرارة العالية/المنخفضة-وأداء دورة الخلايا.

في تجاربنا، استخدمنا رقائق نحاسية-مغطاة بالكربون تعتمد على رقائق عارية، ومغطاة على كلا الجانبين بمادة رابطة كربونية وراتنجية موصلة للكهرباء. يعمل هذا على تعزيز موصلية المجمع الحالي، مما يضمن مقاومة اتصال جيدة، مع زيادة الالتصاق في الوقت نفسه بين المادة النشطة والمجمع الحالي، وبالتالي تحسين عمر دورة البطارية. تكشف صور SEM للرقائق النحاسية الناعمة-المزدوجة الجوانب، والرقائق النحاسية المطلية بالكربون-، وصفائح الأقطاب الكهربائية أن سطح الرقائق النحاسية الناعمة-المزدوجة الجوانب مسطح. يتم توزيع جزيئات الكربون الموصلة الموجودة على سطح رقائق النحاس المطلية بالكربون - بشكل موحد، بقطر جسيم يبلغ حوالي 15-20 نانومتر، مما يعرض -هيكلًا كرويًا مرتبطًا معًا بمادة لاصقة راتنجية. السطح فضفاض ومسامي، مما يعزز بشكل فعال التصاق المادة النشطة بالمجمع الحالي. بالإضافة إلى ذلك، يتم زيادة منطقة الاتصال بين المادة النشطة ومجمع التيار، مما يساعد على تقليل مقاومة التلامس للوحة القطب. تُظهر ملاحظات السطح والبنية المقطعية - لصفيحة الأنود SiO-C توزيعًا موحدًا للجسيمات، مع بقاء الجزيئات سليمة دون أن تتكسر تحت كثافة ضغط تبلغ 1.6 جم/سم مكعب.

تشير المعلمات الأساسية لصفائح الإلكترود السالب المصنوعة باستخدام رقائق نحاس مختلفة إلى أن قوة تقشير الصفائح التي تستخدم رقائق النحاس المطلية بالكربون- تزداد بشكل ملحوظ مقارنةً باستخدام رقائق النحاس الناعمة ذات الوجهين-، بينما يتم تقليل مقاومة لوحة الإلكترود. يوضح هذا أن طبقة طلاء الكربون يمكن أن تزيد من مساحة الاتصال بين المادة النشطة والمجمع الحالي، وتحسين التوصيل الإلكتروني للوحة القطب، وتقليل مقاومة التلامس بين المادة النشطة والمجمع الحالي. علاوة على ذلك، تعمل طبقة الكربون التي تحتوي على مادة رابطة الراتنج كطبقة انتقالية، مما يعزز الترابط بين المادة النشطة والمجمع الحالي.

تم الحصول على بيانات الأداء الكهروكيميائية الجزئية لخلايا الأكياس بقدرة 9.5 Ah المصنوعة من رقائق نحاسية مختلفة، بما في ذلك جهد الدائرة المفتوحة، والمقاومة الداخلية للتيار المتردد، والسعة العكسية، وكفاءة تفريغ الشحنة الأولية-، واستخدام السعة المحددة للكاثود، من خلال حساب متوسط ​​القياسات من 10 نقاط عينة. توضح المقارنة أن المقاومة الداخلية للتيار المتردد للخلية التي تستخدم رقائق النحاس المطلية بالكربون- أقل من مقاومة الخلية التي تستخدم رقائق النحاس الناعمة ذات الجوانب -. ويرجع ذلك في المقام الأول إلى أن لوح الإلكترود المصنوع من رقائق النحاس المطلية بالكربون-يتمتع بمقاومة أقل، مما يقلل من مقاومة التلامس الإجمالية للخلية. يعد استخدام السعة المحددة للخلية التي تستخدم رقائق النحاس-المغلفة بالكربون أقل قليلاً (بمقدار 0.5 مللي أمبير/جرام) مقارنة بالخلية التي تستخدم رقائق النحاس الناعمة-المزدوجة الجوانب. قد يكون هذا بسبب إدخال طبقة الكربون التي تؤدي إلى إقحام بسيط لأيون الليثيوم-، مما يؤدي إلى استهلاك بعض أيونات الليثيوم وزيادة القدرة غير القابلة للعكس للخلية.

تظهر منحنيات التفريغ لخلايا الحقيبة المجمعة مع نوعي رقائق النحاس بمعدلات مختلفة في درجة حرارة الغرفة أنه مع زيادة معدل التفريغ، تنخفض هضبة التفريغ لكلا النوعين من الخلايا، وتتضاءل قدرة التفريغ تدريجياً. تظهر نقطة انعطاف كبيرة عندما يصل معدل التفريغ إلى 4 درجات مئوية. ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه مع زيادة تيار التفريغ، فإن أيونات الليثيوم، بعد إطلاق الإلكترونات، لا يمكنها مغادرة الأنود على الفور وتنتشر في المنحل بالكهرباء، مما يؤدي إلى إنشاء تدرج كبير في تركيز أيون الليثيوم-. وهذا يزيد من جهد القطب المطلوب لعودة أيونات الليثيوم إلى الكاثود، مما يؤدي إلى زيادة الضغط الداخلي في الخلية وما يترتب على ذلك من انخفاض في هضبة التفريغ. بمقارنة منحنيات معدل التفريغ المذكورة أعلاه ومعدلات الاحتفاظ بقدرة التفريغ بمعدلات مختلفة، فإن هضاب التفريغ لنوعي الخلايا متطابقة بشكل أساسي بنفس المعدل. بأسعار منخفضة (<3C), the discharge capacity retention rates of the two cell types largely overlap. When the discharge rate increases to 4C and 5C, the discharge capacity retention rate of the carbon-coated copper foil cell is slightly higher than that of the double-sided smooth copper foil cell. This is primarily related to the carbon coating enhancing the conductivity of the cell and reducing contact resistance.

تُظهر منحنيات الدورة لخلايا الأكياس المجمعة مع نوعين من رقائق النحاس تحت ظروف تفريغ الشحنة 1C/1C- في درجة حرارة الغرفة أنه بعد 300 دورة، يبلغ معدل الاحتفاظ بالسعة 89.5% لخلية رقائق النحاس المطلية بالكربون-، مقارنة بـ 84.2% لخلية رقائق النحاس الناعمة - ذات الجوانب المزدوجة. تم تحسين ثبات دورة خلية رقائق النحاس-المغلفة بالكربون بشكل ملحوظ مقارنةً بخلية رقائق النحاس الناعمة-المزدوجة الجوانب. تنبع هذه الفائدة من جانبين رئيسيين: أولاً، تزيد طبقة الكربون الموصلة المطلية على سطح رقائق النحاس من مساحة الاتصال بين المادة النشطة ورقائق النحاس، ويوفر هيكل السطح المسامي المزيد من مواقع الاتصال للمادة النشطة، مما يعزز التفاعل مع المجمع الحالي؛ ثانيًا، يؤدي وجود مادة رابطة الراتنج في طبقة الكربون إلى تعزيز الالتصاق بين المادة الفعالة ورقائق النحاس. يؤدي هذا إلى الحد بشكل كبير من ظاهرة سحق المواد النشطة في الأنودات القائمة على السيليكون-والتي تنتج عن معدل التمدد الكبير للجسيمات بعد دورات متعددة، وبالتالي إطالة عمر دورة البطارية بشكل فعال.

(1) زيادة قوة التقشير لصفيحة قطب الأنود SiO-C مع تقليل مقاومتها.
(2) يعمل على تحسين أداء درجات الحرارة العالية/المنخفضة-وإمكانية المعدل، ولكن ليس بشكل ملحوظ.
(3) يعمل بشكل فعال على تحسين أداء دورة البطاريات التي تعتمد على السيليكون-. بالمقارنة مع رقائق النحاس الناعمة - ذات الوجهين، تم تحسين معدل الاحتفاظ بالسعة بعد 300 دورة بمعدل شحن/تفريغ 1C بنسبة 5.2%.

مراجع

البنية التحتية الوطنية للمعرفة في الصين (CNKI)
بحث وتطبيق رقائق النحاس المطلية بالكربون في بطارية أيون الليثيوم-المرتكزة على السيليكون
معهد بحوث تكنولوجيا صناعة الفحم والكيماويات في شنشي المحدودة
شين شياو هوي

الوصول إلى فريقنا الفني

يمكنك زيارة رابط منتجاتناhttp://www/carbon-مغلف-رقائق/كربون-مغلف-نحاس-رقائق/موصل-كربون-مغلف-نحاس-foil.htmlلمزيد من التفاصيل