Уз брзу популаризацију електричних возила и уређаја за складиштење енергије, потражња тржишта за батеријама за напајање није само везана за густину енергије и сигурност, већ и за способност брзог пуњења и дуг животни век. Традиционалне литијум-јонске батерије са течним електролитом често се сусрећу са безбедносним опасностима и повећаном деградацијом капацитета током брзог пуњења, док су све чврсте батерије (АССБ) привукле велику пажњу индустрије због својих потенцијалних предности у безбедности и термичкој стабилности чврстих електролита.
Међутим, постизање брзог пуњења АССБ-а при великој густини енергије није лак задатак. Конвенционални чврсти електролити суочавају се са ограниченом дифузијом јона, повећаном импедансом електролита електролита и структурном деградацијом композитних електрода у условима велике брзине током пуњења великом брзином, што доводи до деградације капацитета и лошег животног века. Претходне студије су се фокусирале на побољшање јонске проводљивости, оптимизацију интерфејса и дизајнирање електрода. Међутим, постизање брзог пуњења у практичном обиму и електрода са великим површинским оптерећењем уз одржавање дугог животног циклуса остаје велики изазов.
Ова студија се фокусира на комбиновани систем НЦМ (ЛиНикМниЦозО2) позитивне електроде и Ли6ПС5Цл чврстог електролита. Кроз фино пројектовање електрода и оптимизацију интерфејса, покушава да постигне брзо пуњење (као што је 15мА/цм2) под дебелим електродама и условима високог оптерећења, уз одржавање стабилности батерије током хиљада циклуса. Другим речима, истраживачки тим има за циљ да развије свеобухватне смернице за дизајн за све солид-стате батерије, омогућавајући им да постигну брзо пуњење са високом ефикасношћу и малим губицима док теже високој густини енергије.
1. Пројектовање експеримента и конструкција електрода
Ова студија је одабрала НЦМ као активни материјал позитивне електроде (ЦАМ), Ли6ПС5Цл (ЛПСЦ) као чврсти електролит и комбинован са проводљивим и везивним агенсима (као што су ЦНФ угљенична нановлакна) и другим компонентама. Основна идеја је да се направи комплетна шема склопа батерија у чврстом стању за 3-дизајн електрода кроз низ критеријума дизајна (и) до (ик). Ови принципи дизајна укључују:
Одговарајућа величина честица и дистрибуција чине канале за транспорт јона и путеве електронске проводљивости уједначенијим.
Оптимизујте дебљину електроде, порозност и густину сабијања да бисте постигли већи капацитет површине и стабилан контакт интерфејса.
Контролишите микроструктуру и однос честица позитивне електроде како бисте осигурали да дифузија јона није значајно ометана у условима велике брзине пуњења.
Истраживачки тим је потврдио структурну стабилност и промене порозности пројектоване електроде у различитим периодима циклуса кроз методе карактеризације као што су СЕМ, КСРД, КСПС и ФИБ-СЕМ 3Д реконструкција.
2. Тест перформанси брзог пуњења
Студија је прво спровела тестове брзог пуњења на 3-електродној потпуно чврстој батерији користећи НЦМ/ЛПСЦ електролит и Ли Ин конфигурацију негативне електроде на 30 степени. Густина струје пуњења се постепено повећавала са 1мА/цм2 на 15мА/цм2 (еквивалентно пуњењу великом брзином од око 8Ц), а нижа густина струје (као што је 1мА/цм2) је коришћена током пражњења да би се посматрао задржавање капацитета и животни век циклуса под услови високе стопе пуњења.
Резултати показују да:
При високој брзини пуњења од 15 мА/цм2, батерија и даље може да постигне висок капацитет од око 150/мАх/г (на основу НМЦ активног материјала), са ефективном стопом искоришћења од преко 90%, а време пуњења може бити скраћено на око 8 минута. То значи да се брзо пуњење од 10% СОЦ до 80% СОЦ може постићи у року од 10 минута, приближавајући се очекивањима индустрије електричних возила за брзо пуњење.
Батерија задржава 81% капацитета након 3000 узастопних циклуса пуњења велике брзине, са куломбичком ефикасношћу близу 99%, што показује одличну стабилност дугог циклуса.
Ово указује да се кроз рационалан дизајн микроструктуре и комбинацију материјала, брзо пуњење и пражњење са дугим веком трајања може постићи чак и на релативно ниским температурама (30 степени).
3. Микроскопски механизам и структурна еволуција високог наелектрисања и пражњења
Да би разумели тако одличне перформансе бициклизма, истраживачи су припремили узорке попречног пресека користећи ФИБ-СЕМ и спровели анализу 3Д реконструкције након 10 и 1000 циклуса. Као резултат тога, утврђено је да:
Почетна порозност електроде је око 3%, а после 10 циклуса порозност се незнатно повећава на 3,6%, а после 1000 циклуса расте на око 6,9%. Иако се порозност повећала, она је и даље унутар опсега који се може контролисати. Може се видети да у циклусима велике брзине, микроструктура честица позитивне електроде пролази кроз одређене деформације и повећање пора, али то још није довело до озбиљног одвајања или раслојавања интерфејса.
Нема очигледних знакова велике акумулације површинских бочних реакционих слојева. Иако између целог чврстог електролита и честица позитивне електроде може доћи до напона на интерфејсу и микропукотина, импеданса интерфејса се не повећава значајно са циклусом кроз одговарајуће односе честица и методе чврстог паковања.
Овај образац структурне еволуције указује да је у оптимизованим композитним електродама, чак и ако високобрзинско пуњење и пражњење проузрокује одређено ширење микро пора и промене структурног напрезања, укупна проводљива мрежа је и даље релативно стабилна.
4. Дубинско истраживање услова високог оптерећења и велике брзине
Да би испунио захтеве практичне примене, истраживачки тим је покушао да повећа дебљину и капацитет оптерећења активног материјала позитивне електроде, чиме је побољшао укупну густину енергије батерије. резултат:
Када се дебљина позитивне електроде повећа са око 70 µм на 140 µм и 210 µм, висока искоришћеност капацитета и стабилност циклуса се и даље могу постићи тестовима пуњења при 50мА/цм2. Вреди напоменути да позитивна електрода дебљине 210 µм одговара капацитету оптерећења од приближно 45 мг/цм2, што је прилично значајно код чврстих батерија.
Остварење брзог пуњења на дебљим електродама указује на то да стратегија дизајна материјала ефикасно побољшава способност вертикалне дифузије јона у чврстим електролитима и одржава блиски контакт између унутрашњих честица, што помаже да се смањи задржавање јона у дифузионим каналима.
Чак и код тако великих електрода, пуњењем од 10 минута под одговарајућим условима загревања (80 степени) може се постићи до 85% искоришћења активних материјала. Пражњење такође показује добре карактеристике бициклизма. Ово пружа изводљив пут за будуће примене батерија за електрична возила великих размера: коришћењем дебљих електрода и већег масеног оптерећења, може се постићи већа излазна енергија без жртвовања перформанси брзог пуњења и животног века.
5. Анализа електрохемијске импеданце и деградације перформанси
Да би дубоко анализирали механизам промене перформанси, истраживачи су спровели мерења спектроскопије импедансе наизменичне струје (ЕИС) на батерији пре и после циклуса:
После неколико почетних циклуса, импеданса батерије се мало повећала, али се затим стабилизовала током хиљада циклуса. То значи да ако у почетку постоји подешавање микро интерфејса, основни процес стабилизације је завршен у почетном циклусу.
Не постоји очигледан прекомерни раст бочних реакционих слојева или карактеристичних сигнала блокирања јона, што указује да пажљиво дизајниран распоред честица и структура интерфејса и даље могу да одржавају ефикасне канале преноса под дуготрајним условима високог оптерећења и високе брзине.
Даља анализа указује да у условима брзог пуњења брзина дифузије јона постаје ограничавајући фактор, а дизајн ове студије успешно смањује ово ограничење, омогућавајући јонима да брзо прођу кроз интерфејс честица електролита, побољшавајући коришћење и смањујући поларизацију.
Резиме
Ова студија је успоставила скуп критеријума дизајна за постизање високе густине енергије, брзог пуњења и дугог животног века свих чврстих батерија и показала њихову ефикасност кроз експерименте. Оптимизацијом комбинације материјала НМЦ позитивне електроде и сулфидног чврстог електролита (ЛПСЦ), разумном дистрибуцијом честица, контролом порозности и дебљине електроде, постигнуте су одличне перформансе на 30 степени са високим капацитетом (~150 мАх/г) и дугим животним веком (81% задржавање капацитета након 3000 циклуса) чак и када се пуни на 15 мА/цм2 (приближно 8Ц стопа). У међувремену, повећањем дебљине и оптерећења позитивне електроде, брзо пуњење у високом опсегу СОЦ (10% -80%) и даље може да се заврши у року од 10 минута уз умерено загревање (80 степени).