Alüminyum Folyonun Karbon Kaplama Kalınlığının Lityum-İyon Pillerin Performansına Etkisi

Alüminyum folyo, ticari lityum-iyon pillerdeki birincil katot akım toplayıcıdır. Bununla birlikte, geleneksel alüminyum folyo akım toplayıcıları, sert folyo ile katot aktif malzeme birimleri arasındaki arayüzdeki temas direnci de dahil olmak üzere, önemli bir arayüz direncine yol açan çeşitli zorluklar sunar. Aktif malzeme ile zayıf yapışma, şarj/deşarj döngüleri sırasında elektrotun sürekli hacim değişiklikleriyle birleştiğinde, aktif malzemenin ayrılmasına ("tozlanma") neden olabilir, kapasitenin azalmasını ve ömrünün azalmasını hızlandırabilir. Ayrıca, elektrolitin oksidatif ayrışmasından kaynaklanan ürünler, alüminyum folyo üzerinde elektrokimyasal reaksiyonlara katılarak korozyonu hızlandırabilir. Bu sorunları çözmek için, kimyasal aşındırma, elektrokimyasal aşındırma, DC anodizasyon, korona işlemi ve substrat yüzeyine uygulanan iletken kaplamalar (grafen kaplamalar, karbon nanotüp kaplamalar ve kompozit kaplamalar gibi) dahil olmak üzere alüminyum folyo için çeşitli modifikasyon yöntemleri araştırılmıştır. Bunlardan bazıları halihazırda ticari ürünlerde kullanılmaktadır. Son yıllarda iletken kaplamalar, özellikle de karbon-kaplı alüminyum folyo yaygın bir şekilde benimsenmiştir. Bunun başlıca nedenleri, katot akım toplayıcının arayüzey temas direncini azaltma, polarizasyonu hafifletme ve sonuç olarak pilin deşarj oranı kapasitesini bir dereceye kadar artırma yetenekleridir.

Karbon-kaplı folyolar üzerine yapılan mevcut araştırmalar öncelikle folyonun katot formülasyonları ile uyumluluğuna ve hız performansına odaklanmaktadır. Kimyasal korozyon, elektrokimyasal aşındırma ve korona işlemi gibi yöntemler, alüminyum folyonun ıslanabilirliğini ve yüzey pürüzlülüğünü iyileştirebilir, yük aktarım direncini azaltabilir ve hız ve döngü performansını artırabilir. Grafen, karbon nanotüpleri ve-korozyon önleyici kaplamalar gibi kaplamaların hepsinin hücre performansını iyileştirdiği gösterilmiştir. Örneğin, bir çalışma, bir grafen kaplamanın, 50 döngüden sonra iç dirençte yalnızca 5 mΩ'luk bir artışa yol açtığını ve bunun iyi bir yapışma gösterdiğini belirtti. Bulamaç sistemleri, proses uygulaması ve yüzey işleme teknolojileri üzerine önemli araştırmalar yapılmış olsa da, karbon kaplama kalınlığının genel hücre performansı üzerindeki, özellikle de Lityum Demir Fosfat (LFP) katotlarının hızı ve döngü performansı üzerindeki etkisi nadiren rapor edilmiştir. Bu çalışma öncelikle, değişen karbon kaplama kalınlıkları ile folyonun morfolojik değişikliklerini ve bunların hücre performansı üzerindeki etkilerini araştırmak için alt tabaka olarak 16 mikron kalınlığında alüminyum folyo kullanmaktadır.

Tablo arasında gösterildiği gibi, folyonun alan yoğunluğu iletken kaplama kalınlığıyla birlikte kademeli olarak artar. Folyonun elektrik direnci kalınlıkla doğrusal olarak değişmez. Mevcut karbon kaplamalı tüm toplayıcılar, saf alüminyumdan daha zayıf iletkenlik sergiler ve direnç değerleri 2 ila 6 kat daha yüksektir. Al-2 örneği en düşük iç direnci gösterirken Al-5 en yüksek iç direnci gösterir. Bu, kaplama ağırlığı arttıkça kaplama içindeki (daha az iletken) bağlayıcı/kolloidal malzemenin artan içeriğine atfedilir. Karbon kaplama kalınlığı arttıkça Lityum Demir Fosfat (LFP) aktif malzemesi ile iletken kaplama katmanı arasındaki temas alanı da artarak soyulma mukavemetinin artmasına neden olur. Ancak gömülü alan arttıkça aktif malzeme ile iletken katman içindeki bağlayıcı/koloidal malzeme arasındaki temas da artar, dolayısıyla direnç artar.

Karbon-kaplı alt tabakanın yüzeyi genel olarak gevşek ve gözenekli görünmektedir. Çıplak alüminyum folyoyla karşılaştırıldığında yüzey daha pürüzlü hale gelir ve daha fazla parçacık temas noktası sağlanır. Yüzey topoğrafyasındaki dalgalanma, iletken kaplama kalınlığının artmasıyla daha belirgin hale gelir. Bununla birlikte, Al-1 folyo için bile karbon tabakası çıplak alüminyum folyo üzerine eşit şekilde kaplanmıştır. Bu iletken kaplama, yaklaşık 3,4 μm boyutunda parçacıklardan ve 150-200 nm aralığında daha küçük parçacıklardan oluşur; iletken kaplama bulamacında bir miktar parçacık topaklaşması gözlemlenir. Farklı kalınlıklarda karbon kaplı alüminyum folyolarla üretilen madeni para hücrelerinin tümü simetrik oksidasyon ve indirgeme tepe noktaları sergiler, bu da çıplak alüminyum folyoya kıyasla daha iyi redoks reaksiyonu tersinirliğine işaret eder. Yükseltgenme ve indirgeme tepe noktaları arasındaki potansiyel fark, çıplak alüminyum folyonunkinden daha küçüktür; bu, karbon kaplamanın varlığının elektrot polarizasyonunu azalttığını gösterir.

Fizikokimyasal özellik perspektifinden

• Elektrot tabakasının soyulma mukavemeti karbon kaplama kalınlığı arttıkça artar.
• Elektrot tabakasının direnci kaplama kalınlığı arttıkça artar.
• Minimum direnç değeri toplam 2,0 μm kalınlıkta gözlendi.
• 4,0 μm ve 5,0 μm kalınlıklarda yük transfer direnci artar, Li+'nın difüzyon yeteneği zayıflar ve polarizasyon artar.
• Bu sonuçlar karbon kaplama kalınlığının uygun bir aralıkta kontrol edilmesi gerektiğini göstermektedir.

Tam-hücre elektrokimyasal performans perspektifinden

• Karbon-kaplı alüminyum folyo, oda sıcaklığında (0,5C ve 2,0C) döngüde ve ayrıca -20 derecede düşük-sıcaklıkta deşarj performansında avantajlar gösterdi.
• Bu koşullar altında optimum döngü performansı, toplam 2,0 μm kaplama kalınlığında gözlemlendi.
• Deneyler ayrıca 1,0°C akım hızında, çıplak alüminyum folyonun olağanüstü döngü performansı sergilediğini ve 1.500 döngüden sonra %90'ın üzerinde kapasite tutmayı koruduğunu ortaya çıkardı. Bu bulgu, karbon-kaplı alüminyum folyonun mekanizmasına ilişkin daha ileri araştırmalar için bir yön sağlar.
• Performans, farklı karbon kaplama kalınlıklarına göre değişir. Aşırı yüksek kaplama kalınlıklarının (örneğin, 4,0 μm ve 5,0 μm) kullanılması, pil performansını etkili bir şekilde artırmaz, bunun yerine bulamaç malzeme israfına neden olur ve maliyeti artırır.
• Çıplak alüminyum folyo 1,0C'de optimum döngü ömrüne ulaşabilirken, döngü eğrisi önemli dalgalanmalar gösterir ve bu da pilin Sağlık Durumunun (SOH) sonraki-aşama tahminlerine zarar verir.

Tüm göstergeler kapsamlı olarak değerlendirildiğinde toplam karbon kaplama kalınlığı1.0 μmkarbon-kaplı alüminyum folyo için en uygun maliyet-performans seçimini temsil eder.

Referanslar
Çin Ulusal Bilgi Altyapısı (CNKI)

TEKNİK EKİBİMİZE ULAŞIN

Ürün linkimizi ziyaret edebilirsinizhttp://www/karbon-kaplamalı-folyo/karbon-kaplamalı-alüminyum-folyo/karbon-kaplamalı-alüminyum-folyo-for.htmldaha fazla ayrıntı için