Impatto dello spessore del rivestimento in carbonio del foglio di alluminio sulle prestazioni delle batterie agli ioni di litio-

Il foglio di alluminio è il collettore primario di corrente catodica nelle batterie commerciali agli ioni di litio-. Tuttavia, i collettori di corrente convenzionali in foglio di alluminio presentano diverse sfide, tra cui la resistenza di contatto all’interfaccia tra il foglio rigido e le unità di materiale attivo del catodo, che porta a una significativa resistenza interfacciale. Una debole adesione al materiale attivo, abbinata a continui cambiamenti di volume dell'elettrodo durante i cicli di carica/scarica, può causare il distacco del materiale attivo ("spolvero"), accelerando lo sbiadimento della capacità e il degrado della durata. Inoltre, i prodotti della decomposizione ossidativa dell'elettrolita possono partecipare a reazioni elettrochimiche sul foglio di alluminio, accelerandone la corrosione. Per risolvere questi problemi, sono stati esplorati vari metodi di modifica del foglio di alluminio, tra cui l'attacco chimico, l'attacco elettrochimico, l'anodizzazione DC, il trattamento corona e i rivestimenti conduttivi (come rivestimenti in grafene, rivestimenti in nanotubi di carbonio e rivestimenti compositi) applicati alla superficie del substrato. Alcuni di questi sono già utilizzati in prodotti commerciali. Negli ultimi anni, i rivestimenti conduttivi, in particolare i fogli di alluminio rivestiti in carbonio-, hanno registrato un'adozione diffusa. Le ragioni principali sono la loro capacità di ridurre la resistenza di contatto interfacciale del collettore di corrente catodica, mitigare la polarizzazione e di conseguenza migliorare in una certa misura la capacità di velocità di scarica della batteria.

La ricerca attuale sulle lamine rivestite in carbonio-si concentra principalmente sulla compatibilità delle lamine con le formulazioni dei catodi e sulle prestazioni di velocità. Metodi come la corrosione chimica, l'incisione elettrochimica e il trattamento corona possono migliorare la bagnabilità e la ruvidità superficiale del foglio di alluminio, ridurre la resistenza al trasferimento di carica e migliorare la velocità e le prestazioni del ciclo. È stato dimostrato che rivestimenti come grafene, nanotubi di carbonio e rivestimenti anticorrosivi migliorano le prestazioni delle celle. Ad esempio, uno studio ha rilevato che un rivestimento in grafene ha comportato un aumento di soli 5 mΩ nella resistenza interna dopo 50 cicli, dimostrando una buona adesione. Sebbene siano state condotte ricerche significative sui sistemi di impasto liquido, sull'implementazione del processo e sulle tecnologie di trattamento superficiale, l'impatto dello spessore del rivestimento di carbonio sulle prestazioni complessive delle celle, in particolare sulla velocità e sulle prestazioni di ciclo dei catodi di litio ferro fosfato (LFP), è stato raramente riportato. Questo studio utilizza principalmente un foglio di alluminio spesso 16 μm come substrato per studiare i cambiamenti morfologici del foglio con diversi spessori del rivestimento di carbonio e il loro conseguente impatto sulle prestazioni della cella.

Come mostrato nella Tabella , la densità superficiale della lamina aumenta gradualmente con lo spessore del rivestimento conduttivo. La resistenza elettrica della lamina non cambia linearmente con lo spessore. Tutti gli attuali collettori con rivestimento in carbonio presentano una conduttività inferiore rispetto all'alluminio puro, con valori di resistenza da 2 a 6 volte superiori. Il campione Al-2 mostra la resistenza interna più bassa, mentre Al-5 ha quella più alta. Ciò è attribuito all'aumento del contenuto di legante/materiale colloidale (meno conduttivo) all'interno del rivestimento man mano che il peso del rivestimento aumenta. All'aumentare dello spessore del rivestimento in carbonio, aumenta anche l'area di contatto tra il materiale attivo litio ferro fosfato (LFP) e lo strato di rivestimento conduttivo, portando ad una maggiore resistenza alla pelatura. Tuttavia, con una maggiore area incorporata, aumenta anche il contatto tra il materiale attivo e il materiale legante/colloidale all'interno dello strato conduttivo, aumentando di conseguenza la resistenza.

Nel complesso, la superficie del substrato rivestito di carbonio- appare friabile e porosa. Rispetto al foglio di alluminio nudo, la superficie diventa più ruvida, fornendo più punti di contatto delle particelle. L'ondulazione della topografia superficiale diventa più pronunciata con l'aumentare dello spessore del rivestimento conduttivo. Tuttavia, anche per il foglio di Al-1, lo strato di carbonio è rivestito in modo uniforme sul foglio di alluminio nudo. Questo rivestimento conduttivo è costituito da particelle di dimensioni intorno a 3,4 μm e particelle più piccole nell'intervallo 150-200 nm, con l'osservazione di alcuni agglomerati di particelle provenienti dall'impasto liquido del rivestimento conduttivo. Le celle a bottone fabbricate con fogli di alluminio rivestiti di carbonio di diverso spessore mostrano tutte picchi di ossidazione e riduzione simmetrici, indicando una migliore reversibilità della reazione redox rispetto al foglio di alluminio nudo. La differenza potenziale tra i picchi di ossidazione e riduzione è inferiore a quella del foglio di alluminio nudo, suggerendo che la presenza del rivestimento di carbonio mitiga la polarizzazione dell'elettrodo.

Dal punto di vista delle proprietà fisico-chimiche

• La resistenza alla pelatura del foglio dell'elettrodo aumenta con lo spessore del rivestimento di carbonio.
• La resistenza del foglio dell'elettrodo aumenta con lo spessore del rivestimento.
• Il valore di resistenza minimo è stato osservato ad uno spessore totale di 2,0 μm.
• A spessori di 4,0 μm e 5,0 μm, la resistenza al trasferimento di carica aumenta, la capacità di diffusione del Li+ si indebolisce e la polarizzazione aumenta.
• Questi risultati indicano che lo spessore del rivestimento di carbonio deve essere controllato entro un intervallo appropriato.

Dal punto di vista delle prestazioni elettrochimiche-della cella completa

• Il foglio di alluminio-rivestito in carbonio ha dimostrato vantaggi nei cicli a temperatura ambiente di 0,5 °C e 2,0 °C, nonché nelle prestazioni di scarico a bassa-temperatura a -20 gradi.
• Le prestazioni ciclistiche ottimali in queste condizioni sono state osservate con uno spessore totale del rivestimento di 2,0 μm.
• Gli esperimenti hanno inoltre rivelato che a una velocità di corrente di 1,0°C, il foglio di alluminio nudo ha mostrato prestazioni di ciclismo eccezionali, mantenendo una ritenzione della capacità superiore al 90% dopo 1.500 cicli. Questa scoperta fornisce una direzione per ulteriori indagini sul meccanismo del foglio di alluminio rivestito di carbonio-.
• Le prestazioni variano a seconda dello spessore del rivestimento in carbonio. L'utilizzo di spessori di rivestimento eccessivamente elevati (ad esempio, 4,0 μm e 5,0 μm) non migliora in modo efficace le prestazioni della batteria ma, al contrario, spreca materiale liquido e aumenta i costi.
• Sebbene il foglio di alluminio nudo possa raggiungere il ciclo di vita ottimale a 1,0°C, la sua curva di ciclo mostra fluttuazioni significative, il che è dannoso per la stima della fase successiva-dello stato di salute della batteria (SOH).

Considerando tutti gli indicatori in modo completo, uno spessore totale del rivestimento di carbonio di1.0 μmrappresenta la scelta ottimale in termini di costi{0}}prestazioni per il foglio di alluminio-rivestito in carbonio.

Riferimenti
Infrastruttura nazionale cinese della conoscenza (CNKI)

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