Jüngste Fortschritte bei der Anode für sulfidbasierte Festkörper-Lithiumbatterien – andere Anoden

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Jüngste Fortschritte bei Anode für Festkörper-Lithiumbatterien auf Sulfidbasis

ââ Teil 2 andere Anoden

Autor: JIA Linan, DU Yibo, GUO Bangjun, ZHANG Xi

1. Schule of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200241, China

2. Shanghai Yili New Energy Technology Co., LTD. , Shanghai 201306, China

Anode aus Lithiumlegierung

Aufgrund schwerer Grenzflächennebenreaktionen Es ist schwierig, reines Lithium direkt in Sulfid-Festelektrolyten zu verwenden Kurzfristig sind Lithiumlegierungsmaterialien eine attraktivere Option. Im Vergleich zu metallischen Lithiumanoden können Anoden aus Lithiumlegierungen Verbesserungen erzielen Grenzflächenbenetzbarkeit, hemmt das Auftreten von Grenzflächennebenreaktionen, erhöhen die chemische und mechanische Stabilität des Festelektrolyten Schnittstelle und vermeiden Sie Kurzschlüsse, die durch das Wachstum von Lithiumdendriten verursacht werden. Bei Gleichzeitig können Legierungsanoden im Vergleich zu flüssigen Lithium-Ionen-Batterien dies tun zeigen eine höhere Energiedichte und eine bessere Stabilität in Festkörperbatterien. Negative Elektroden aus Legierungen weisen jedoch ein größeres Volumen und eine größere Struktur auf Änderungen während des Ladens und Entladens (z. B. Li-Si-Legierung, Li-Sn-Legierung usw.), Daher ist weitere Forschung zur Entwicklung und Anwendung von Legierungen erforderlich Materialien. Unter den verschiedenen Lithiumlegierungen ist die Li-In-Legierung am beliebtesten Labormaßstab aufgrund der besseren mechanischen Duktilität und des konstanten Redoxgehalts Potential (0,62 V vs. Li+/Li) über einen weiten stöchiometrischen Bereich. Li-In-Legierungen sind allgemein als thermodynamisch und kinetisch stabile Materialien angesehen für Sulfidelektrolyte. Es wird häufig in Labors zum Testen verwendet Leistung von Elektrolyten oder Kathodenmaterialien bei gleichzeitig gutem Zyklus Stabilität bei geringem Strom und geringer Last. Allerdings ist das Redox Potenzial und Molekulargewicht der Li-In-Legierung sind hoch, was sich stark verringert Der Energiedichtevorteil von Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien. Im Allgemeinen gehen Studien davon aus, dass es kein Wachstum von Lithiumdendriten gibt Li-In-Legierungen. Luo et al. führte Lade- und Entladetests durch Li-In|LPSCl|LNO@NCM622 Festkörperbatterie bei hoher Stromdichte (3,8). mA·cm-2) und hoher Last (4 mA·h·cm-2). Es wurde festgestellt, dass die Batterie einen Kurzschluss hatte Schaltkreis nach etwa 900 Zyklen. Die Batterie hielt einen stabilen Zyklus aufrecht Kapazität und nahezu 100 % Coulomb-Wirkungsgrad während Lade-Entlade-Zyklen auf 890 Zyklen, aber die Kapazität begann nach 891 Zyklen rapide zu sinken, im 897. Zyklus auf nahezu 0 fallen. Die jeweilige Lade- und Entladespannung Kurve des Akkus vom 891. bis zum 897. Zyklus, in dem der Ladevorgang erfolgt kapazität allmählich erhöht, während die entsprechende entladung kapazität nimmt ab. Im 897. Zyklus wird der Akku weiter aufgeladen und die Kapazität erhöht steigt weiter an, begleitet von einer geringeren Spannungsanstiegsrate, die weist auf das Auftreten eines internen Kurzschlusses und eines Batterieausfalls hin. Der Der Wachstumsmechanismus von Li-In-Dendriten wurde durch SEM, XPS und andere aufgedeckt Charakterisierungen und AIMD-Simulation. Zeigt an, dass unter hohem Strom und Hochlastbedingungen. Metallisches In ist thermodynamisch und kinetisch instabil zu Sulfidelektrolyten. Volumenänderungen und leichte Grenzflächenreaktionen werden induziert Das Wachstum von Li-In-Dendriten führt letztendlich zum Batterieausfall lange Zyklen. Anders als beim vertikalen Wachstum von Lithiumdendriten Der Wachstumsmodus von Li-In-Dendriten ist das seitliche Wachstum entlang der Poren und des Korns Grenzen. Die Wachstumsgeschwindigkeit ist langsam und das Sulfid wird kaum geschädigt Elektrolytstruktur (Abbildung 6). Daher kann es zu Li-In-Dendritenwachstum kommen durch Verbesserung der elektrochemischen Stabilität des Metalls unterdrückt Elektrode/Festelektrolyt und Verringerung der Porosität des Elektrolyten.

Abb.6 Vor und nach der zyklischen Schnittstellenentwicklung für Li-In|LPSCl|LNO@NCM622-Zelle

Al hat die Vorteile einer hohen Duktilität, hohe Reserven und hohe elektronische Leitfähigkeit. Es hat einen hohen theoretischen Anspruch spezifische Kapazität (990 mA·h·g-1) und eine geringe Volumenausdehnungsrate (96 %). Lithiumlegierungsmaterialien. Es ist eines der vielversprechenderen All-Solid-State-Modelle Anodenmaterialien für Lithiumbatterien. Wie in Abbildung 7(a) gezeigt, haben Pan et al. vorbereitet a Negative Elektrode aus Li-Al-Legierung ohne Bindemittel und Leitmittel (Li0,8Al, spezifische Kapazität 793 mA·h·g-1, 0,35 V vs. Li+/Li). Hat eine gute Kompatibilität mit LGPS-Elektrolyt. Dies liegt daran, dass das Arbeitspotenzial des Die hergestellte Anode aus einer Li-Al-Legierung liegt innerhalb der tatsächlichen elektrochemischen Stabilität Fenster von LGPS [Abb. 7(b)]. Verhindern, dass der Elektrolyt reduziert wird und Zerlegt zeigte die zusammengebaute Festkörperbatterie eine hervorragende Leistung Reversibilität mit einer Kapazitätserhaltungsrate von bis zu 93,29 % in 200 Zyklen. Unter der Bedingung eines N/P-Verhältnisses von 1,25 wird die Energiedichte der Batterie erreicht 541 W·h·kg-1, was beweist, dass die Li-Al-Legierung hervorragende Anwendungsaussichten hat.

Abb.7 Schema der Li-Al-Legierungsanode in ASSLBs

Sakuma et al. untersuchte die Paarung von Li-Sn Legierung, Li-Si-Legierung und Li4-x Ge1-x P x S4-Elektrolyt und kleiner beobachtet Grenzflächenwiderstand und höheres Redoxpotential. Hashimoto et al. gebraucht Hochenergie-Kugelmahlen zur Herstellung einer Reihe von Li4,4Ge x Si1-x (x=0~1,0). Unter ihnen weist Li4,4Ge0,67Si0,33 die größte spezifische Kapazität auf (190). mA·h·g-1) und weist eine gute Lade- und Entladereversibilität auf. Park et al. gebraucht Mechanische Kugelmühle zum Mischen und Mahlen von Lithiumpulver und Siliziumpulver Bereiten Sie die Li4.4Si-Legierung, die positive Elektrode Li4Ti5O12 und Li2S-P2S5 vor Elektrolyt zum Zusammenbau einer Festkörper-Lithiumbatterie. Die Studie ergab dass die Leistung des Akkus nach der Sekundärentladung deutlich verbessert wurde Kugelmahlen der Li-Si-Legierung, d. h. die Reduzierung der Partikelgröße Die Lithium-Si-Legierung trug zur gleichmäßigen Abscheidung und Ablösung bei Lithium während des Lade- und Entladevorgangs.

Auch Lithiumlegierungsfilme können als verwendet werden Mittel zur Stabilisierung der negativen Elektrodenschnittstelle. Choi et al. verwendet eine einfache Walzverfahren zur Kombination von Ag mit einer Dicke von 10 µm und Li mit einer Dicke von 150 μm und dann von außen ausgeübtem Druck, um einen Film aus einer Li-Ag-Legierung zu erhalten. Der hohe Ag-Gehalt bildet leicht eine stabile Grenzfläche mit dem Sulfid Elektrolyt und hemmt das Wachstum von Lithiumdendriten. Darüber hinaus ist die Die verbleibende geringe Menge an Ag, die nicht die Li-Ag-Legierung bildet, ist daran beteiligt die Reaktion einer festen Lösung mit Li, die das ungleichmäßige Wachstum von mildert Lithium. Die zusammengebaute Festkörperbatterie zeigte eine Kapazitätserhaltung von 94,3 % über 140 Zyklen und könnte auch bei einer hohen Temperatur von 12 °C stabil zyklisch laufen. Forschung von Kato et al. fanden heraus, dass das Einfügen eines Au-Films am Li/Li3PS4 Die Elektrolytschnittstelle kann die Bildung von Hohlräumen nach dem anfänglichen Lithium verhindern Auflösung und Erhöhung der Li-Ablagerungsstellen, was zur Verbesserung beiträgt Reversibilität der Batterie. Darüber hinaus erfolgte die Auflösung des Au-Films in metallisches Lithium kann ein Grund für die Verbesserung der elektrochemischen Leistung sein der negativen Elektrodenschnittstelle. Li-symmetrische Zellen mit einem Au-Film an der Li/Li3PS4-Schnittstelle eingefügt, kann bei hoher Stromdichte stabil arbeiten (1,3 mA·cm-2) und großflächiger Kapazität (6,5 mA·h·cm-2) ohne Kurzschluss. Die zusammengebaute Li/Au/Li3PS4/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 Festkörperbatterie verfügt über eine Zyklenlebensdauer von mehr als 200 Mal bei einer hohen Stromdichte von 2,4 mA·cm-2.

Siliziumanode

Si gilt als eines der am meisten Aufgrund seiner extrem hohen theoretischen spezifischen Kapazität ist es ein vielversprechendes Anodenmaterial (4200 mA·h·g-1), hohe Reserven, geringe Kosten, Umweltfreundlichkeit, Ungiftigkeit und niedriges Betriebspotential von 0,4 V. Forschung zur Anwendung von Si-Anoden in flüssigen Lithium-Ionen-Batterien wird seit mehr als entwickelt dreißig Jahre und erfreut sich immer noch großer Beliebtheit. Neuerdings auch als All-Solid-State-Lithium Da Batterien in den Bereich der Energieforschung Einzug gehalten haben, hat die Umstellung begonnen die ausgereifte Siliziumtechnologie aus flüssigen Lithium-Ionen-Batteriesystemen hin zu All-Solid-State-Batteriesystemen. Verglichen mit der Forschung am Entwicklung von Siliziumanoden mit hoher Kapazität für flüssige Lithium-Ionen-Batterien, Allerdings gibt es nur wenige Berichte über die Anwendung von Siliziumanoden Bei Sulfid-Feststoffbatterien sind die gezeigten Ergebnisse immer noch recht gut wichtig. Allerdings hat die Si-Anode eine geringe elektronische Leitfähigkeit (1,56×10-3). S·m-1), niedriger Lithiumionen-Diffusionskoeffizient (10-14ï½10-13 cm2·S-1) und große Volumenausdehnung (Li4. 4Si beträgt etwa 360 %) und andere Nachteile, was den Anwendungsbereich einschränkt. Der Grund, warum die Si Der Ausfall der negativen Elektrode in der Batterie ist im Allgemeinen auf das große Volumen zurückzuführen Ausdehnung von Si während des Lithiierungs-/Delithiierungsprozesses, was dazu führt Pulverisieren, Knacken und enorme Belastung, was zu einer Reihe schwerwiegender Folgen führt zerstörerische Folgen. Zum Beispiel: (1) Verschlechterung der Struktur Unversehrtheit der Elektrode aufgrund wiederholter Quetschungen während des Entladens/Ladens. (2) Unterbrechung zwischen Elektrode und Stromkollektor verursacht durch Grenzflächenspannung. (3) Lithiumionen werden dabei kontinuierlich verbraucht kontinuierlicher Formations-Zerstörungs-Reformationsprozess der SEI-Schicht.

Derzeit häufig verwendete Methoden für Die Optimierung von Siliziumanoden für Festkörper-Lithiumbatterien umfasst unter anderem die Größe Steuerung (Nano-Silizium), Strukturdesign, Dünnschichtanoden, Legierung, Druck Anwendung, Verbundanoden mit fortschrittlichen Bindemitteln/leitenden Materialien (z als Si-C-Anoden) usw. Sakabe et al. verwendete Magnetronsputtern zur Vorbereitung nichtporöse und poröse amorphe Siliziumanoden und kombinierte sie mit 80Li2S·20P2S5-Elektrolyt zur Durchführung von Zyklentests. Nach 100 Zyklen, Der 3,00 µm dicke, nichtporöse, amorphe Siliziumfilm zeigte nur etwa 47 % Kapazität relativ zum 10. Zyklus. Der 4,73 µm große poröse, amorphe Siliziumfilm zeigt eine Lithiierungskapazität von bis zu 3000 mA·h·g-1. Nach 100 Zyklen ist die Die Kapazitätserhaltungsrate im Vergleich zum 10. Zyklus liegt bei über 93 %. Das zeigt es Die poröse Struktur kann die Zyklenstabilität des effektiv verbessern Batterie. Okuno et al. brachte die poröse Silizium-Verbundanode auf eine an Festkörperbatterie mit Li3PS4-Elektrolyt und zeigte eine hohe Kapazitätserhaltung Rate von mehr als 90 % in 100 Zyklen. Dies liegt an den Poren im Silizium Partikel lösen die enormen Volumenänderungen während der Lithiierung und Delithiierung auf, Verbesserung der Zyklusstabilität. Im Gegensatz dazu ist die Zyklenstabilität von kommerziellen Nichtporöse Siliziumanoden sind schlecht und die Kapazitätserhaltungsrate liegt bei 100 Zyklen beträgt nur 20 % oder sogar weniger. Poetke et al. berichtet, dass Silizium-Kohlenstoff Verbundhohlraum-Nanomaterialien wurden als negative Elektroden verwendet Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien entwickelt und erfolgreich eingesetzt Si-C|Li6PS5Cl|NCM Vollbatterien. Der nanostrukturierte Si-C-Verbundwerkstoff, der in der verwendet wird Studie liefert eine Lücke zwischen Silizium-Nanopartikeln (SiNPs) und einem äußeren Kohlenstoff Hülse. Die Kohlenstoffhülle kann Siliziumvolumenänderungen wirksam ausgleichen, Verbesserung der elektrochemischen Leistung im Vergleich zu bloßen SiNPs.

In den letzten Jahren hat die akademische Gemeinschaft erzielte wiederholt Durchbrüche bei der Erforschung reiner Siliziumanoden. In 2020, Cangaz et al. berichteten über eine säulenförmige Siliziumanode, die durch PVD hergestellt wurde Prozess und kombiniert mit einem Li6PS5Cl-Elektrolyten und einem LiNi0,9Co0,05Mn0,05O2 Kathode zur Herstellung einer Festkörperbatterie mit hoher spezifischer Kapazität (210 mA·h·g-1). Die säulenförmige Siliziumanode wird seit mehr als stabilen Zyklen betrieben 100-mal unter einer hohen Last von 3,5 mA·h·cm-2, mit einem Coulomb-Wirkungsgrad von ca hoch wie 99,7 % ~ 99,9 %. Während des Zyklus zeigt sich die säulenförmige Siliziumstruktur ein eindimensionaler Atmungseffekt ähnlich der Lithiumanode in der Vertikalen Richtung. Diese eindimensionale Atmung kann durch die intrinsische kompensiert werden Porosität der säulenförmigen Siliziumstruktur und der äußere Stapeldruck, Bildung eines stabilen zweidimensionalen SEI. Gleichzeitig wird der Stapeldruck (20 MPa) unterdrückt auch die Delaminierung des säulenförmigen Siliziums und den Strom Kollektor. Im Vergleich zu metallischen Lithiumanoden ist diese säulenförmige Siliziumanode eliminiert das Risiko von Lithiumdendriten, Kurzschlüssen und Verlust von totem Lithium. Im Jahr 2021 haben Tan et al. berichtete über eine Reinheit von 99,9,9 % (Masse) im kommerziellen Mikrometerbereich Silizium-Si-Anode (μ-Si). Der Grenzflächenkontaktbereich zwischen dem Negativ Elektrode und der Li6PS5Cl-Elektrolyt ist eine zweidimensionale Ebene, auch wenn Beim Laden und Entladen kommt es zu einer Volumenausdehnung. Allerdings ist die Die zweidimensionale Ebene bleibt weiterhin erhalten und es wird keine neue Schnittstelle gebildet. Der Die durch die lithiierte μ-Si-negative Elektrode gebildete Li-Si-Legierung weist eine einzigartige chemische Zusammensetzung auf und mechanische Eigenschaften, wodurch die Kontaktfläche zwischen den erhöht wird negative Elektrode und der Elektrolyt [Abbildung 8(a)]. Der All-Solid-State Eine aus μ-Si, Li6PS5Cl-Elektrolyt und NCM811 zusammengesetzte Lithiumbatterie kann betrieben werden stabil innerhalb einer hohen Oberflächenstromdichte (5 mA·cm-2) und einem breiten Temperaturbereich Bereich (-20~80â). Es hat eine Kapazitätserhaltungsrate von 80 % nach 500 stabilen Betriebsstunden Zyklen und einem durchschnittlichen Coulomb-Wirkungsgrad von 99,95 % [Abbildung 8(b)]. Die beste Leistung von Mikro-Silizium-Festkörperbatterien wurde gemeldet weit. Es ist erwähnenswert, dass die μ-Si-Anode einer hohen Stromdichte unterliegt Radfahren ohne leitfähige Kohlenstoffmaterialien, wodurch das effektiv unterdrückt wird Zersetzung des Sulfidelektrolyten. Es liefert neue Ideen für das Negative Auswirkungen von Kohlenstoff in Si-C-Verbundelektroden im konventionellen Denken. In 2022, Cao et al. stellte eine zusammengesetzte negative Elektrode her, bestehend aus Nano-Siliziumpartikel (nm-Si), leitfähiger Kohlenstoff und Li6PS5Cl durch Kugel Mahlen. Die zusammengesetzte negative Elektrode verfügt über gute elektronische und ionische Eigenschaften Leitfähigkeit im Inneren, wodurch die lokale Stromdichte effektiv reduziert werden kann und hemmen die Bildung von Lithiumdendriten auf der Oberfläche des Negativs Elektrode. Es ist mit einem einkristallinen NMC811-Kathodenmaterial beschichtet durch ein Sol-Gel-Verfahren. Unter Verwendung eines Li6PS5Cl-Films mit einer Dicke von 47 µm als Elektrolyt, eine Festkörper-Lithiumbatterie mit einer Energiedichte von bis zu Es wurden 285 W·h·kg-1 erhalten. Der volle Akku erreichte eine hohe Kapazität von 145 mA·h·g-1 bei C/3 für 1000 stabile Zyklen. Die zusammengesetzte Siliziumanode zeigt das Aussicht auf Großserienfertigung, deutliche Kostensenkung und gibt eine Richtung für die Kommerzialisierung von Festkörper-Lithiumbatterien vor. Anders als Tans Designkonzept für die negative Elektrode ist dieses Verbundnegativ Die Elektrode fügt nicht nur Elektrolyt hinzu, sondern auch kohlenstoffleitendes Mittel. Der Der Grund dafür ist, dass nm-Si im Vergleich zu μ-Si eine größere Oberfläche hat Es gibt mehr Grenzen in der Siliziumanode, und normalerweise befindet sich darauf eine Schicht aus SiO die Oberfläche von nm-Si. Daher beträgt die elektrische Leitfähigkeit im Allgemeinen 3 Größenordnungen niedriger als die von μ-Si, das die Elektronenleitung behindert beim Laden und Entladen. Experimente zeigen, dass während des Prozesses Beim Entfernen von Lithium aus dieser nm-Si-Anode zersetzt sich der Elektrolyt nur leicht, und es werden keine Lithiumdendriten gebildet. Basierend auf dem obigen System, Cao et al. schlugen eine Batteriearchitektur mit einem bipolaren Stapeldesign vor. Die Single Zellen werden über einen Stromkollektor in Reihe geschaltet, um den Verbrauch zu reduzieren inaktive Materialien, wodurch eine höhere Energiedichte erreicht wird. Genauer gesagt, eine doppelschichtig gestapelte All-Solid-State-Lithiumbatterie aus grenzflächenstabilem Material Als Positiv dienen die Einkristalle LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2, Li6PS5Cl und nm-Si Elektrode, Elektrolyt bzw. negative Elektrode, was für ein hohes Niveau sorgt Spannung von 8,2 V. Die Energiedichte auf Batterieebene beträgt 204 W·h·kg-1 höher als die 189 W·h·kg-1 einer einzelnen Batterie. Dieses bipolare gestapelte Design hat eine gute Referenzbedeutung für den gesamten Bereich der Festkörperbatterien.

Abb.8 Grenzflächencharakterisierung und Zyklen Leistung zwischen µ-Si-Anode und Li6PS5Cl in den ASSLBs

Tabelle 1 fasst die Lösungen für das zusammen Sulfid-Festelektrolyt/Anoden-Grenzfläche und die entsprechenden Vorteile und Nachteile.

Tabelle 1 Strategien zur Bewältigung von Schnittstellenproblemen zwischen Anoden und Festkörperelektrolyte auf Sulfidbasis

Andere Anoden

Negative Silber-Kohlenstoff-Elektrode

Lee et al. berichtete über einen All-Solid-State Batteriedesign mit einer Silber-Kohlenstoff-Zwischenschicht (Ag/C) [Abbildung 9(a)]. Das Das Zwischenschichtdesign reguliert effektiv den Lithiumablagerungsprozess und Es werden hochreversible Lithiumabscheidungs- und -strippphänomene beobachtet zwischen der Ag/C-Schicht und dem Stromkollektor. Unter ihnen ist C gewohnt Trennen Sie den Li6PS5Cl-Elektrolyten vom abgeschiedenen metallischen Lithium vermeidet nicht nur die Reduzierung des Elektrolyten, sondern verhindert auch die Entstehung von Lithiumdendriten. Ag kann die Keimbildungsenergie reduzieren metallisches Lithium zu einer Ag-Li-Legierung. Ein Teil des Ag bewegt sich an die Oberfläche Der Stromkollektor bildet eine feste Lösung mit metallischem Lithium und fördert so gleichmäßige Lithiumabscheidung. Nach der Entladung liegt die metallische Lithiumschicht vor vollständig aufgelöst, während Ag zwischen dem Stromkollektor und dem verbleibt Ag-C-Schicht. Dieses Design kann die Volumenänderung von metallischem Lithium aufnehmen während des Zyklierens die lokale Stromdichte der Lithiumanode reduzieren und Verbesserung der Zyklusstabilität. Wie in Abbildung 9(b) gezeigt, die zusammengebaute Beutelbatterie (0,6 A·h) weist eine hohe Energiedichte (größer als 900 W·h·L-1) bei 60°C auf. Stabiler Coulomb-Wirkungsgrad über 99,8 %. Lange Zyklenlebensdauer (1000 Zyklen). Es liefert neue Ideen für die kommerzielle Anwendung von All-Solid-State-Lithium Batterien.

Abb.9 Struktur und Zyklenleistung für Sulfid-basierte ASSLBs verwendeten eine Ag-C-Anode

Graphit

Unter verschiedenen interkalierten Anodenmaterialien Bei Lithium-Ionen-Batterien ist Graphit das kommerziell erfolgreichste Material aufgrund seiner geringen Kosten, großen Reserven und langen Lebensdauer. Allerdings in Im Bereich der Festkörperbatterien ist Graphit nicht in den Fokus gerückt Die Auswahl des Materials für die negative Elektrode ist aufgrund der begrenzten theoretischen Kapazität nicht geeignet. In frühen Berichten wurde häufig Graphit als Anodenmaterial für Neuanlagen verwendet synthetisierte Sulfid-Festelektrolyte. Spätere Forschungen konzentrierten sich auf das grundlegenden Wirkmechanismus von Graphit in Sulfid-ASSLBs zur Optimierung des Designs und Herstellung von Elektroden. Graphit wird häufig als Gerüst für verwendet Hochenergetische Anodenmaterialien in der jüngsten Forschung, die strukturelle Integrität bieten und elektrische Leitfähigkeit. Allerdings sind auch andere aktuelle negative Elektroden wie z Lithium und Silizium haben immer noch Probleme wie hohe Kosten und große Volumina Expansionsrate und instabiler Zyklus. Daher gilt Graphit als Material mit geringem Kosten, große Reserven, hoher Kommerzialisierungsgrad und hohe Stabilität, können spielen eine wichtige Rolle bei der Prozessentwicklung von Festkörperbatterien im Anfangsstadium. Es ist notwendig, das Verfügbare kontinuierlich zu optimieren Kapazität von Graphit.

Stromkollektor-Vorbehandlung

Anodenlose Lithium-Ionen-Batterien zusammenbauen der Stromkollektor direkt mit der Batterie, ohne überschüssiges Lithium hinzuzufügen, Dabei entsteht metallisches Lithium durch Reduktion von Lithiumionen auf dem Stromkollektor aus der vollständig lithiierten Kathodenbeschichtung während des ersten Ladezyklus. Dieses Konzept wurde ausführlich auf dem Gebiet untersucht Lithium-Ionen-Batterien, und einige Teams haben dieses Design erweitert Festkörper-Lithiumbatterien. Gu et al. Die Oberfläche von Edelstahl geätzt Stahlstromkollektor (SSCC) in unterschiedlichem Maße, abgestimmt darauf Li5,5PS4,5Cl1,5-Festelektrolyt und durchgeführter elektrostatischer Zyklus unter Verwendung eines asymmetrische Batteriekonfiguration (Lithiumfolie | Edelstahlfolie). Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche SSCC-Rauhigkeiten einen größeren Einfluss haben auf die Akkuleistung. Vollfestkörperbatterien aus SSCCs mit a Eine Rauheit von 180 nm weist eine bessere Leistung im elektrochemischen Zyklus auf als Batterien mit einer Rauigkeit von nur 20 nm. Dies liegt an der rauen Oberfläche Erhöhung der Kontaktpunkte zwischen Elektrolyt und Strom Kollektor, der mehrere Reaktionspunkte bietet und eine gleichmäßige Abscheidung ermöglicht von Lithium an der Schnittstelle. Wenn die Oberflächenrauheit jedoch 500 übersteigt nm, die stark aufgeraute Oberfläche führt dazu, dass die Lithium-Ionen kaum an die Oberfläche gelangen begrenzte Kontaktpunkte an der geätzten Unterseite des Stromabnehmers. Das reduziert die Ausfällung von Lithium und zeigt eine schlechtere Leistung. Das Dieses Phänomen tritt bei Flüssigbatterien nicht auf. Dies zeigt, dass die Interaktion zwischen dem Festelektrolyten und dem Stromkollektor erheblich ist unterscheidet sich von dem des flüssigen Elektrolyten. Es ist notwendig, weiterzumachen Erkunden Sie den grundlegenden Arbeitsmechanismus und die Eigenschaften vor dem Strom Das Kollektordesign der negativelektrodenfreien Festkörperbatterie kann sein durchgeführt.

Zusammenfassung und Ausblick

Mit dem Aufkommen von LGPS mit hohem Ionengehalt Leitfähigkeit, Forschung an Sulfid-Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien hat stark erhöht. Dazu gehören die Auswahl der Anodenmaterialien und die Die Lösung von Schnittstellenproblemen ist zu einem Schwerpunkt der Forschung geworden. Viele Wissenschaftler haben den Forschungsfortschritt zum Lithium umfassend zusammengefasst Anode/Sulfid-Elektrolyt-Grenzfläche. Dieser Artikel bietet eine Systematik Überblick über die gängigen Anodenmaterialien für All-Solid-State-Lithium Batterien auf Basis von Sulfidelektrolyten wie metallischem Lithium, Lithium Legierungen und Siliziumanoden. Das Schnittstellenproblem zwischen Lithiumanode und Sulfidelektrolyt wurde vorgeschlagen und gemeinsame Strategien zur Verbesserung des Schnittstelleneigenschaften wurden zusammengefasst. Derzeit All-Solid-State-Lithium-Ionen Batterien sind noch weit von einer kommerziellen Anwendung entfernt und verfügen über keine vollständige Grundausstattung theoretische Forschung und technische Unterstützung. Daher die folgenden Probleme müssen in der zukünftigen Forschung noch beachtet werden.

(1) Anoden aus Lithiumlegierungen haben hervorragende Eigenschaften Lithium-Speicherkapazität und stabilere Leistung, und haben sich großartig gezeigt Potenzial zur Lösung des Dendritenwachstums und des Kurzschlusses an der Lithiumanode hohe Energiedichte und langzeitstabile Festkörper-Lithiumbatterien. In Aufgrund der Kontakteigenschaften ist dies der Bereich der Festkörperbatterien Durch die Festkörper-Grenzfläche wird das Problem der wiederholten SEI-Erzeugung verursacht Die Reaktion von Legierungsmaterialien und flüssigen Elektrolyten kann gelöst werden. Um zu Um Legierungsanoden besser auftragen zu können, müssen grundlegende und angewandte Arbeiten durchgeführt werden Erhöhen Sie das Verständnis der Chemie, Elektrochemie und Mechanik Eigenschaften und Funktionsmechanismus von Legierungsanoden in Festkörperbatterien, so um den Bedarf an langzeitstabilen Halbleitern mit hoher Kapazität zu decken Batterien. .

(2) Siliziumanoden können die Energie maximieren Dichte von Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings, weil Silizium hat Niedrige elektronische Leitfähigkeit, häufig verwendete kohlenstoffleitende Mittel beschleunigen die Zersetzung von Sulfidelektrolyten. So regulieren Sie die Zusammensetzungsparameter der Siliziumanode, so dass sie die nicht beeinflusst Die Leitungsbahn der Elektrode wird nicht beeinträchtigt und es kommt auch nicht zur Zersetzung des Sulfids Elektrolyt ist eine große Herausforderung bei der Herstellung von Siliziumanoden. Es stellt auch ein technisches Hindernis für die groß angelegte Industrialisierung von Silizium dar Anoden in Sulfid-Festkörperbatterien.

(3) Die Probleme kleiner und hoher Reserven Der tatsächliche Preis von metallischem Lithium muss ebenfalls beachtet werden kommerzielle Anwendungen. Obwohl die metallische Lithiumanode von Vorteil ist Beim Lithium-Plattierungsprozess ist dies keine notwendige Komponente elektrochemische Reaktion Lithiumbeschichtung. Die Nutzungsbedingungen von Lithiummetall sind extrem hart und die Massenproduktion von Lithiumbatterien wird bringen große Sicherheitsrisiken. Um Kosten zu senken, die Sicherheit zu verbessern und die endgültige Kommerzialisierung zu erreichen, die Entwicklung von All-Solid-State-Lithium Batterien ohne Lithiumanoden sind eine Forschungsrichtung. Zum Beispiel die Die Forschung zur Ag-C-Verbundelektrode liefert eine gute Idee für die nächste Arbeit. In Darüber hinaus werden der grundlegende Funktionsmechanismus und die Eigenschaften von Stromabnehmern erläutert Zudem bedarf es weiterer Forschung, um Stromabnehmer gezielt vorzubehandeln um leistungsstarke Festkörperbatterien ohne Negativ zu erhalten Elektroden.

Die Entwicklung der negativen Elektrode Die Entwicklung neuer Materialien im Bereich der Festkörperbatterien hat noch einen langen Weg vor sich. Mit der Vertiefung der Forschung werden Festkörperbatterien auf Hochenergiebasis entwickelt Negative Elektroden werden auf diesem Gebiet definitiv ihre einzigartigen Vorteile zeigen von Sekundärbatterien.