Efecto de los nuevos electrodos en la vida útil de las baterías de iones de litio

¿Hay algún momento en tu vida en el que crees que la tecnología se está quedando atrás?

Sí, cuando desempaquetamos el iPad, una de las computadoras personales de consumo más caras de nuestro tiempo, una sensación de impotencia se apoderó de todo el cuerpo y una gran pieza negra en el medio ocupaba la gran mayoría de toda la máquina. ¿Qué es? ¡Es una batería!

Cuando el motor de vibración puede ser tan preciso, ¿qué restringe el desarrollo de productos electrónicos hacia productos más seguros y ligeros? ¡Es una batería!

Para reemplazar la batería de litio tradicional, los investigadores prestan atención al desarrollo de un nuevo tipo de batería de iones de litio con un excelente rendimiento de ciclo. Se encuentra que cuando se reduce el tamaño de partícula y el electrodo es nanoestructura, el electrodo puede funcionar normalmente incluso en el proceso de litiación y desitiación incluso si la deformación de volumen es grande. . Algunos investigadores también han señalado que el material del electrodo de morfología revestido (núcleo-carcasa) tiene un bajo grado de desgaste durante el ciclo de carga y descarga. Sin embargo, han surgido nuevos problemas en los materiales de nanoestructura de electrodos: baja capacidad de volumen (baja densidad de derivación), características de alta resistencia, lo que aumenta los costos de fabricación y baja eficiencia culómbica debido a reacciones secundarias.

En vista de los problemas anteriores, el material compuesto de ánodo puede solucionar estos inconvenientes. El material del ánodo compuesto base representado por el grafeno tiene las ventajas de alta conductividad eléctrica, alta resistencia mecánica, fuerte conexión con componentes activos de litio, transmisión rápida de iones de litio, etc., pero desventajas. Existen los siguientes aspectos: 1. El potencial de capacitancia total tiene limitaciones. 2. La tecnología sintética es cara. 3. La pérdida del primer ciclo es grande y la eficiencia del ciclo es baja.

Recientemente, el grupo extranjero Gurpreet Singh ha sintetizado un material compuesto de ánodo autónomo de gran área, ordenado, cruzado, con la composición de SiOC y óxido de grafeno reducido (rGO). El material del ánodo tiene una mayor capacidad volumétrica que los nanotubos de Si / C reportados, y la hoja de grafeno redox sirve como material base para las partículas de SiOC, y la combinación de los dos exhibe canales de transporte de electrones altos, ciclo alto, alta densidad de corriente, y estructura, alta estabilidad y otras ventajas. Además, compensa los defectos de otros tipos de baterías de litio, la capacidad de carga del primer ciclo es alta (702mAhg-1), la capacidad específica de carga estable es grande (543mAhg-1) y la densidad de corriente de carga es alta (2400mAg -1). Lo que es más digno de atención es que este material de ánodo compuesto tiene excelentes características de falla por deformación (más del 2%), que es mayor que las características de falla del simple óxido de grafeno reducido similar al papel.

El silicio y el grafeno tienen una alta capacidad de carga teórica, que es un buen material de ánodo para baterías de litio, pero su baja densidad energética, baja eficiencia y poca estabilidad limitan su aplicación práctica. Aquí presentamos un material de ánodo autónomo que consta de partículas de vidrio de sílice de carbono incrustadas en una matriz de grafeno químicamente modificado. La matriz de óxido de grafeno poroso simplificado se utiliza como un transportador de electrones altamente eficiente y es un colector de corriente de estructura estable. Se puede usar junto con oxicarburo de silicio amorfo para permitir que las baterías de litio tengan una alta eficiencia culómbica. En 1020 ciclos, la densidad de energía del electrodo de papel alcanzó los 588 mAhg-1 sin ningún signo de falla mecánica.

El artículo también señaló que la reducción de algunos materiales innecesarios, como colectores de corriente o aglutinantes de polímero, para producir baterías ligeras eficientes.

(a) Patrón de microscopio electrónico de barrido de partículas de SiC formadas por descomposición de TTCS (1,3,5,7-tetrametil-1,3,5,7-tetravinilciclotetrasiloxano). Se puede observar que las partículas vítreas están compuestas por partículas de tamaño submicrónico.

(b) TTCS reticulado y oxicarburo de silicio pirolizado caracterizado por espectroscopia de energía de rayos X.

(c) Es un espectro de oxinitruro de silicio bajo escaneo de rayos X de alta potencia.

(f) El pico del espectro Raman del oxicarburo de silicio se caracteriza por el grafito (pico D1: 1350 cm-1; pico G: 1590 cm -1)

(g) Fourier transforma la espectroscopia infrarroja de SiC y TTCS reticulado (γ: modo de vibración de tracción; σ: modo de vibración de flexión)

(h) Modelo de estructura atómica de las partículas de oxicloruro de carbono después de la pirólisis.

(i) Una micrografía electrónica de transmisión de un material compuesto compuesto de oxicarburo de silicio y óxido de grafeno. Grandes manchas blancas de óxido de grafeno cubren la superficie del oxicarburo de silicio.

(j) El uso de oxicarburo de silicio amorfo y material de lámina de óxido de grafeno muy depositado con un patrón circular débil, debido a su polimorfismo, el patrón de difracción de electrones de área seleccionada de microscopía electrónica de transmisión correspondiente aparece como un modo multipunto.

(k) Vista elemental en sección transversal del haz de iones enfocado de 60SiOC, Si, C y O están representados por azul, rojo y verde, respectivamente.

(l) Patrones de difracción de rayos X de TTCS, SiOC, GO y materiales de papel compuestos reticulados antes y después del tratamiento térmico.

(m) Análisis termogravimétrico de papel de óxido de grafeno y papel sin recocer (calentado de 30 grados Celsius a 800 en un flujo de aire suave a 10 grados Celsius por minuto)

Características electroquímicas y mecanismo de almacenamiento de litio.

(a) Un patrón de diversas capacidades de carga de los electrodos de papel y eficiencias de carga en el caso de que la densidad de corriente aumente de forma asimétrica cuando se realiza el ciclo de carga y descarga.

(b) El ciclo a largo plazo de los electrodos rGO y 60SiOC es de 1600 mAh por gramo. Después de 970 ciclos, el electrodo mostró un buen rendimiento de recuperación por gramo cuando la densidad de corriente cayó a 100 mA. El recuadro es una micrografía electrónica de barrido de los electrodos RGO y 60SiOC.

(c) Curva de voltaje del electrodo 60SiOC.

(d) Diferentes curvas de capacidad para el primer, segundo y décimo ciclos.

(e) Rendimiento cíclico de 60SiOC por debajo de cero. Cuando se enfría a menos 15 grados Celsius, la batería muestra una capacidad de aproximadamente 200 mAh por gramo. Cuando la temperatura sube a la temperatura ambiente, alrededor de 25 grados Celsius, la capacidad de la batería cambia nuevamente a alrededor del 86%.

(f) Diagrama esquemático de litio o no litio en partículas de oxicloruro de carbono. La mayor parte del litio se distribuye en la fase de carbono aleatoria, y estas fases de carbono se distribuyen uniformemente en la matriz amorfa de SiOC. La gran hoja RGO actúa como un conductor electrónico y soporte elástico de alta eficiencia.

Prueba mecánica

(a) La fotografía tomada cuando se rompe el papel rGO es el diagrama esquemático de la prueba de fuerza de tracción, y la escala indica que el cambio de longitud es de 0,28 mm.

(b) Patrones de deformación extraídos de datos de carga-desplazamiento y sus correspondientes valores de módulo.

(c) Valores de coeficiente de RGO, 10SiOC, 40SiOC y 60SiOC con errores de 26,8, 7,6, 41,5, 24,1MPa, respectivamente

(d) El papel RGO exhibe un fenómeno de estiramiento y una reordenación de las hojas de grafeno antes de fallar.

(e) Para el papel 60SiOC, se produjo un estiramiento y reordenamiento fino, y la línea discontinua se rompió gradualmente a medida que las partículas de SiOC se incrustaban en la mancha blanca de RGO.

Preparación del método de preparación Preparación de cerámicas de SiOC: Se preparó SiOC mediante pirólisis de polímero y se reticuló el TTCS líquido durante 5 horas en una atmósfera de argón a 380ºC para formar finalmente una materia insoluble blanca. A continuación, la materia insoluble se trituró hasta obtener un polvo y luego se pirolizó a 1000 ° C durante 10 h en una atmósfera de argón para finalmente convertirse en un polvo cerámico de SiOC negro. La preparación de GO y SiOC: GO se preparó usando Hummer modificados, y se prepararon 20 ml de suspensión coloidal de GO mediante ultrasonidos de agua e isopropanol en una relación de volumen de 1: 1. Se añadieron a la solución diferentes porcentajes en peso de partículas de SiOC, y la solución se agitó ultrasónicamente durante 1 hora, se agitó durante 6 horas y luego el material compuesto se filtró al vacío con una membrana de filtro de 10 micrómetros. El GO / SiOC se raspó cuidadosamente del papel de filtro, se secó y se mantuvo a 500 ° C durante 2 h en una atmósfera de argón. Además, se utilizó polipropileno como papel de filtro para preparar un papel de área grande 60SiOC. El papel tratado térmicamente se cortó en pequeños círculos y se usó como material de electrodo de trabajo para una media celda de una batería de iones de litio. Montaje de pilas de botón y medición electroquímica: las pilas de litio se montan en una guantera llena de argón. Se sumergió un vidrio de 25 micrones de espesor (19 mm de diámetro) en el electrolito entre el electrodo de trabajo y litio metálico (diámetro de 14,3 mm, 75 micrones de espesor) como contraelectrodo. La junta, el resorte, la lata de la batería y similares se ensamblan secuencialmente y luego se moldean a presión.

Perspectiva: Las baterías de litio continúan avanzando hacia una mayor densidad de energía, un peso más liviano y una dirección más segura, lo que llevará a más terminales móviles a todos los aspectos de nuestras vidas, ¡para que nuestras vidas duren para siempre!

El electrodo de papel compuesto de vidrio-grafeno SiO preparado por el grupo de investigación tiene excelentes características de ciclo. El material del electrodo tiene una pérdida de capacidad específica baja después de ciclos repetidos, el primer ciclo tiene una capacidad específica más alta y un tiempo de durabilidad más prolongado, y el equipo de investigación ha determinado que los ingredientes activos proporcionan la dirección para la producción de baterías ligeras.

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