Развитие литий-ионных батарей: технология безбиндерных электродов для более высокой энергоплотности

Аннотация

Литий-ионные батареи (LIB) как системы энергоснабжения и накопления энергии широко используются в электронике, электромобилях и энергетических сетях. Однако существует растущий спрос на повышение энергоплотности LIB. Поэтому разработка новых электродных материалов с высокой энергоплотностью становится значимой. Хотя много новых материалов открыто, проблемы остаются: (1) слабое взаимодействие и интерфейсная проблема между биндером и активным материалом (металлические оксиды, Si, Li, S и т.д.), (2) большое объемное изменение, (3) низкая ионная/электронная проводимость, и (4) самоагрегация активных материалов заряд-разряд циклах. В настоящее время безбиндерный электрод служит перспективным кандидатом для решения вышеуказанных проблем. Во-первых, интерфейсная проблема биндера и активных материалов может быть решена закреплением активного материала непосредственно на проводящем субстрате. Во-вторых, большое объемное расширение активных материалов может быть скомпенсировано пористостью безбиндерного электрода. В-третьих, ионная и электронная проводимость может быть улучшена тесным контактом между проводящим субстратом и активным материалом. Поэтому безбиндерные электроды обычно демонстрируют отличные электрохимические характеристики. Традиционный процесс производства содержит электрохимически неактивные биндеры и проводящие материалы, что снижает удельную емкость и энергоплотность активных материалов. Когда биндер и проводящий материал устраняются, энергоплотность батареи может быть значительно улучшена. Этот обзор представляет приготовление, применение и перспективы безбиндерных электродов. Сначала вводятся различные проводящие субстраты, служащие носителями для активных материалов. За этим следуют методы фабрикации безбиндерных электродов с химической, физической и электрической перспектив. Затем представлено применение безбиндерного электрода в области гибких батарей. Наконец, предоставлены перспективы в терминах этих методов обработки и применений.

Введение

Энергетический кризис и экологические проблемы привели к развитию возобновляемой энергии и новых экологически чистых систем накопления энергии. Из-за проблемы интермитентности возобновляемых источников энергии, таких как ветровая, водная и солнечная энергия, батареи считаются важными системами накопления энергии. Существует растущий спрос на надежные и эффективные устройства накопления энергии. Литий-ионные батареи (LIB) привлекли много внимания благодаря их высокой энергоплотности и плотности мощности, высокому напряжению ячейки, широкому рабочему температурному диапазону и долгому циклу жизни. В настоящее время традиционный процесс приготовления батареи использует поливинилиденфторид (PVDF) как биндер для фиксации проводящего агента и активных материалов на токособирателе методом покрытия. Со спросом на LIB с более высокой емкостью и меньшим размером, как разработка активных материалов с высокой удельной емкостью, так и сокращение неактивных материалов в ячейке важны. Методы сокращения неактивных материалов следующие. Во-первых, традиционный биндер может быть заменен проводящим биндером, например, пирен-основанным полимером и полифлуорен-сопряженным полимером. Эти полимеры естественным образом проводят, и их боковые цепи или основная цепь модифицируются для увеличения адгезии. Проводящий биндер служит проводящим агентом. Поэтому использование неактивного углерода в ячейке может быть снижено. Однако слабое межфазное взаимодействие между этими биндерами (как PVDF, так и недавно разработанными) и активными материалами (металлические оксиды, Si, Sn, Li, S и т.д.) приводит к самоагрегации частиц и/или их изоляции от токособирателя. Поэтому эти новые материалы с высокой емкостью показывают сниженную производительность батареи. Во-вторых, передовые проводящие субстраты, например, углеродная ткань, графен и никелевая пена, исследуются, где активные материалы могут быть закреплены на специальных адгезивных сайтах субстратов. Адгезии между активными материалами и субстратами достигаются сильной химической и/или физической связью, что значительно улучшает целостность электродов. Более того, этот процесс потенциально удаляет и биндер, и углеродные добавки. Поэтому энергоплотность может быть значительно улучшена (Рис. 1).

Огромное количество исследований продемонстрировало многочисленные преимущества безбиндерных электродов. Иммобилизуя активные материалы на соответствующем электроно-проводящем субстрате, интерфейсная проблема биндера и активных материалов может быть решена из-за отсутствия органического биндера, покрывающего поверхность активных материалов. Активные материалы прочно придерживаются проводящего субстрата, что значительно улучшает электронную проводимость. Свойства поддерживающих материалов, например, пористые структуры, облегчают проникновение электролита и ионную диффузию. Кроме того, большая поверхностная площадь способствует полному использованию активных материалов и транспорту Li-ионов. Более того, активный материал обычно равномерно закреплен на проводящем субстрате, что эффективно предотвращает агломерацию наночастиц и снижает объемное расширение при повторных циклах. Безбиндерные электроды обычно показывают высокую Li⁺ и электронную проводимость, приличную смачиваемость электролитом и большое пространство для объемного расширения, и высокую прочность связывания. Поэтому безбиндерные электроды демонстрируют лучшую емкость, циклирование и скоростные характеристики, чем система PVDF/активные материалы/углеродный черный. Конкретно, циклическая жизнь новых наноматериалов увеличена от десятков циклов до сотен циклов при высокой плотности тока ~10 А г⁻¹.

Проводящий субстрат как носитель для активного материала — основа безбиндерного электрода. Проводящая матрица должна иметь подходящие сайты для роста активных материалов, и ее механические свойства играют решающую роль в применении. Для применения электродов в носимых и гибких электронных устройствах проводящие субстраты должны быть способны гнуться или даже складываться множество раз. Это трудно достичь в обычных электродах, изготовленных шламовым процессом. Главная причина — активный материал отделяется от токособирателя при процессе гнутого, приводя к деактивации батареи. Выращивание активных материалов непосредственно на гибкой сети обеспечивает сильное взаимодействие и приводит к надежным электродам, сохраняющим высокую энергоплотность. Эти гибкие субстраты в основном включают металлическую пену, углеродную ткань и самонесущие пленки углеродных материалов.

Этот обзор направлен на предоставление обзора приготовления, применения и перспектив безбиндерных электродов для LIB. Наша цель — подсветить недавнее развитие и улучшение безбиндерных электродов. Методы доктор-блейд литья и инфильтрации, которые несомненно важны для области LIB, не будут включены. Сначала вводим различные проводящие субстраты, служащие в основном носителями для активных материалов. Следуем представлением методов фабрикации безбиндерных электродов с химической, физической и электрической перспектив. Затем представлено применение безбиндерного электрода в области гибкой батареи. Наконец, ключевые вопросы, касающиеся этих методов приготовления и их применений, проспектируются.

Проводящий субстрат

Усиленный антиопухолевый эффект дакарбазина и все-транс-ретиноевой кислоты, ко-доставляемых через липидные … Внутриплоскостной гомопереход WSe₂ через интерфейсный гейтинг: высокопроизводительный фотодетектор