Cómo aumentar la capacidad de la batería de iones de litio

La capacidad de las baterías comerciales de iones de litio está limitada por la capacidad teórica de los materiales del cátodo. En la actualidad, los investigadores utilizan principalmente el desarrollo de nuevos materiales de cátodos y técnicas mejoradas de ingeniería de electrodos para aumentar la capacidad de carga y descarga de la batería. Pocos estudios se han centrado en mejorar la capacidad de la batería mejorando la parte del material del electrodo en la batería. El diafragma es una parte importante de las baterías de iones de litio, que afecta directamente la vida útil, la seguridad, la densidad de energía y la densidad de potencia de las baterías de iones de litio. El diafragma de batería de iones de litio comercial se prepara generalmente a partir de poliolefina y su infiltración de electrolitos y estabilidad térmica son deficientes.

El diafragma de celulosa renovable y económico tiene las ventajas de una buena hidrofilia, una estructura ajustable y una alta flexibilidad, y un proceso de producción simple de estabilidad térmica Gaohe. Hoy en día, la investigación sobre el diafragma a base de celulosa se centra principalmente en el desarrollo de un diafragma seguro con buena infiltración electrolítica. Se han realizado pocos estudios sobre la preparación de un diafragma a base de celulosa que pueda aumentar la capacidad de la batería a la vez que es químicamente funcional. Cabe señalar que el diafragma comercial tradicional y su diafragma modificado representan entre 15 y 20 pulgadas de volumen en una sola batería. En teoría, el volumen de otros materiales activos se puede aumentar en consecuencia reduciendo el grosor del diafragma para aumentar la capacidad de la batería. Sin embargo, no existe un método confiable para preparar un diafragma ultrafino y mantener las características necesarias e importantes del diafragma de la batería.

[Introducción a los resultados]

Recientemente, Wangzhaohui, investigador principal de la Universidad de Uppsala en Suecia, y Leiff Nyholm (coautor del boletín) y otros publicaron un estudio titulado "Redox-ActiveSprematorium-IonBatteries" sobre Advency Science. En este trabajo, el equipo preparó un diafragma activo Redox mesoporoso flexible compuesto de fibras de nanocelulosa (NCF) y compuestos de polipirrol (PPy) mediante un sencillo proceso de fabricación de papel. El diafragma activo Redox tiene una estructura de doble capa, una de las cuales es una capa NCF aislante de aproximadamente 3 μm de espesor, y el otro lado está compuesto por una capa compuesta de PPy / NCF con actividad Redox con espesor ajustable. Entre ellos, la capa NCF actúa como aislamiento principal entre los electrodos. La capa compuesta Redox PPy / NCF activa puede proporcionar soporte mecánico para la capa NCF y proporcionar capacidad adicional para baterías de iones de litio. El equipo descubrió que el diafragma Redox flexible tenía ventajas significativas sobre el diafragma de polietileno (PE) comercial en términos de estabilidad térmica y humectabilidad de electrolitos. El diafragma activo Redox no observó el cortocircuito durante la verificación conceptual del ciclo de la batería, y debido a la presencia de capas de PPy, la capacidad de la batería ha aumentado significativamente. En el concepto de batería, cuando LiFePO4 (LFP) es un electrodo positivo, las baterías de iones de litio que usan diafragma activo Redox pueden exhibir una capacidad de 67 μAhcm-3/81 mAhg-1. La capacidad obtenida es superior a la obtenida por una batería de iones de litio utilizando un diafragma convencional (basado en el volumen / peso total del diafragma y el electrodo positivo). Esto muestra que el uso de diafragma activo Redox puede proporcionar un nuevo método para aumentar la capacidad de las baterías tradicionales de iones de litio al reemplazar el diafragma.

[Guía gráfica]

Fig.1 (a) Diafragma tradicional, b) Diagrama lateral del diafragma activo Redox

El diafragma electroquímico activo aumenta la capacidad de la batería de iones de litio

Nota: Zona verde claro: material aislante; Zona gris clara: componente activo redox

Idea de diseño: combinando la fina capa de aislamiento con la capa de soporte porosa compuesta de materiales conductores Redox, se puede obtener un diafragma flexible Redox activo con un grosor similar al de un diafragma convencional, no solo para garantizar el funcionamiento seguro de la batería. , También puede aumentar la capacidad de la batería.

Fig.2 Preparación y características morfológicas del diafragma activado de reducción de CO2

El diafragma electroquímico activo aumenta la capacidad de la batería de iones de litio

A) Un diagrama esquemático del proceso de preparación del diafragma activo Redox;

B) Fotografías de diafragma activo Redox flexible;

C) diagrama SEM de la capa NCF;

D) Diagrama SEM con capa PPy;

E) Diagrama SEM del diafragma activo Redox desgarrado.

Fig.3 Estructuras porosas de diferentes membranas

El diafragma electroquímico activo aumenta la capacidad de la batería de iones de litio

Diafragma basado en NCF, diafragma activo Redox, membrana compuesta PPy @ NCF: a) distribución de la apertura; (b) Volumen de perforación acumulado.

Fig.4 Prueba de estabilidad térmica y humectabilidad de electrolitos

El diafragma electroquímico activo aumenta la capacidad de la batería de iones de litio

(a) Prueba de estabilidad térmica del diafragma de PE (figura anterior) y el diafragma activo Redox (figura siguiente) a temperaturas elevadas (izquierda: antes del tratamiento térmico; Figura de la derecha: después del tratamiento térmico);

B) Prueba higroscópica electrolítica del diafragma de PE y el diafragma activo Redox (izquierda: antes de la titulación del electrolito; Derecha: después de añadir el electrolito).

Fig.5 Propiedades electroquímicas de celdas compuestas por electrodo negativo y diafragma diferente, con LiFePO4 como electrodo positivo y Li como electrodo negativo

El diafragma electroquímico activo aumenta la capacidad de la batería de iones de litio

A) la curva de carga / descarga a una tasa de 02C;

B) una curva voltamétrica cíclica con una velocidad de exploración de 0,2 M Vs-1;

(c) Rendimiento de multiplicidad;

D) Estabilidad cíclica de CellI.

Nota: 1. El espesor del diafragma activo Redox, el diafragma NCF, el diafragma PE y el diafragma GF es de 10, 10, 25 y 255 μm, respectivamente; 2, CellI: LFP es un polo positivo, Li es un polo negativo y la capa PPy del diafragma activo Redox está en contacto con el polo positivo LFP; 3, diafragma GF: diafragma de fibra de vidrio

Figura VI Comparación del mecanismo de aumento de capacidad y la capacidad de peso / volumen de diferentes diafragmas

El diafragma electroquímico activo aumenta la capacidad de la batería de iones de litio

A) Un diagrama esquemático de la batería LFP / Li que contiene el diafragma activo Redox (los NCF del diafragma están en contacto directo con el electrodo negativo de Li);

B) Una comparación del peso / volumen del diafragma y el electrodo positivo con el peso / volumen de la batería LFP / Li.

Figura VII Comparación de la capacidad de peso de las celdas con PE como diafragma (LFP-PPy) / baterías de Li y CellI con diafragma activo Redox

El diafragma electroquímico activo aumenta la capacidad de la batería de iones de litio

[Resumen]

En este trabajo se propone un método de diseño para obtener una membrana celulósica de doble capa mediante la introducción de una capa activa Redox porosa para mejorar el rendimiento electroquímico de las baterías de iones de litio. Dado que el diafragma activo Redox puede proporcionar capacidad adicional, al reemplazar el diafragma comercial convencional con un diafragma activo Redox, la capacidad de las baterías de iones de litio con LiFePO4 como polo positivo y Li como electrodo negativo aumentará de 0,16 mAh a 0,276 mAh. Los autores señalan que un trabajo adicional puede aumentar la capacidad mejorando el grosor de la capa electroactiva y la composición del material electroactivo. El aumento de la capacidad de su sistema de almacenamiento de energía electroquímica mediante el diafragma activo Redox proporciona una nueva idea para el desarrollo de baterías de iones de litio de película delgada de alta densidad energética y otros productos electrónicos.

La página contiene el contenido de la traducción automática.