Cómo un electrodo grueso mejora la densidad energética de las baterías de iones de litio

Electrodo grueso El diseño de la arquitectura de electrodo grueso, sin cambiar el sistema químico de la batería, aumenta el contenido de material activo por unidad de volumen de la batería, con lo que el electrodo grueso aumenta la densidad de energía del sistema de batería. En comparación con los dos enfoques anteriores, el diseño de la arquitectura de electrodo grueso tiene la ventaja de ser compatible con diversos materiales de electrodo. Por lo tanto, el aumento de la densidad energética de las baterías mediante el diseño de la arquitectura de electrodos gruesos ha recibido una gran atención.

Ventajas y retos del electrodo grueso tradicional

La construcción de electrodos gruesos puede reducir el contenido de materiales inactivos en el dispositivo de la batería, aumentar su densidad energética y reducir su coste. Sin embargo, la lentitud del transporte de iones y electrones y la escasa estabilidad mecánica del electrodo grueso tradicional hacen que el rendimiento de la tasa y el rendimiento del ciclo sean deficientes.

Hay cuatro pasos principales en el transporte de carga en electrodos porosos:

(1) Transporte de iones de litio en el electrolito; (2) Transporte de carga en la interfaz; (3) Difusión de iones de litio en la fase masiva del electrodo; (4) Transporte de carga en la interfaz entre el colector de corriente y el electrodo. Por lo tanto, la impedancia en el electrodo grueso puede dividirse en las cuatro partes correspondientes: impedancia electrónica, impedancia de transporte de carga, impedancia de la fase masiva del electrolito e impedancia de transporte de iones de litio en electrodos porosos.

En las baterías de electrodos finos, la impedancia de transferencia de carga es el paso que controla la velocidad de la reacción cinética de las baterías de iones de litio, mientras que con el aumento del grosor del electrodo, la impedancia de transporte de iones de litio en los electrodos porosos se convierte gradualmente en el paso que controla la velocidad del comportamiento cinético en las baterías de iones de litio.

Transporte de carga en electrodos porosos en comparación con electrodos de diferente grosor

Por lo tanto, para aumentar simultáneamente la densidad energética y la densidad de potencia de las baterías de iones de litio, es necesario construir electrodos gruesos de alta potencia con canales de transporte de iones de litio eficientes y buenas redes de conducción electrónica.

En la actualidad, la principal estrategia para construir electrodos gruesos de alta potencia es construir electrodos gruesos de baja tortuosidad con canales rectos para promover el transporte de iones de litio en el electrodo grueso, reducir la polarización por concentración y mejorar el rendimiento de la batería. Además, el profesor Xie Jia, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, también demostró que los electrodos de baja tortuosidad pueden aliviar eficazmente la degradación de los materiales activos.

Ideas de diseño para electrodos gruesos

Métodos para construir electrodos gruesos

En la actualidad, los métodos de construcción de electrodos gruesos se centran principalmente en:

(1)Construir un colector de corriente 3D, utilizando fibra de carbono 1D/nanotubos de carbono con alta superficie específica, grafeno 2D, y marco conductor poroso 3D como sustrato del electrodo grueso. El electrodo grueso construido por el método del colector de corriente 3D tiene una buena red de conducción electrónica;

(2) Método de plantilla, los métodos comunes incluyen el método de plantilla sacrificial (plantilla de alúmina), celulosa natural (madera), método de plantilla de hielo, etc. El electrodo grueso preparado según el método de la plantilla tiene un patrón determinado y un canal de transporte de iones recto;

(3) Tecnología de fabricación avanzada, que incluye principalmente el grabado por láser y la impresión en 3D, la pieza de poste preparada tiene un patrón regular y un canal de transmisión de iones de litio perpendicular a la dirección del colector de corriente;

(4) Sinterización a baja temperatura. Tras el tratamiento de sinterización a baja temperatura, pueden obtenerse piezas polares densificadas, lo que reduce la porosidad y el grosor de los electrodos, lo que favorece la mejora de la densidad volumétrica de energía de los electrodos gruesos;

(5)Otros métodos, como la introducción de agente espumante y el método de inversión de fase durante la preparación del electrodo.

Estado de la investigación del electrodo grueso

Para lograr la preparación por lotes de electrodos gruesos de alta potencia, el mundo académico y la industria se centran en el diseño y la preparación de electrodos de gradiente. En el ámbito académico, el electrodo de doble gradiente (porosidad y tamaño de partícula del material) diseñado por el equipo del académico Yu Shuhong de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China puede alcanzar una densidad de energía volumétrica de 701 Wh▪L para electrodos de grafito a una tasa de 6C.

El equipo del profesor Yu Guihua, de la Universidad de Texas, también diseñó un electrodo grueso de gradiente de baja tortuosidad capaz de realizar ciclos estables combinando el método de inversión de fase y el de plantilla magnética. En la industria, la mayoría de las empresas adoptan el método de recubrimiento multicapa para llevar a cabo la producción a gran escala de electrodos gruesos de alta potencia.

Diseño de electrodos de gradiente

El estudio de los electrodos gruesos implica complejas cuestiones de ingeniería y científicas. En primer lugar, debe tener buenas propiedades mecánicas para adaptarse al laminado del electrodo, al bobinado y a otros procesos. En segundo lugar, deben construirse redes eficientes de transporte de iones y electrones para acelerar la cinética de reacción de los electrodos gruesos, reducir la polarización óhmica y la polarización por concentración, y mejorar el rendimiento de la tasa y la estabilidad del ciclo.

Combinar métodos experimentales y simulaciones teóricas para establecer la relación estructura-actividad entre el diseño de la arquitectura y el rendimiento electroquímico del electrodo grueso es una idea importante para promover la aplicación práctica del electrodo grueso. Con el fin de mejorar aún más el rendimiento del ciclo de las baterías de electrodo grueso, la tecnología de prelitiación puede combinarse con el diseño estructural de los electrodos gruesos para obtener baterías de iones de litio con ciclos de larga duración y alta densidad energética.

El método de plantilla, el método de grabado láser y la tecnología de impresión 3D pueden realizar la estructura característica con baja tortuosidad, acortar la distancia de transmisión de iones de litio y mejorar el rendimiento de la tasa. La red de transporte de electrones desempeña un papel importante en la mejora del rendimiento electroquímico de las baterías de iones de litio.

La estructura autoportante introduce materiales de carbono unidimensionales y bidimensionales en el electrodo grueso para mejorar eficazmente la conductividad electrónica del electrodo grueso. Sin embargo, el proceso de preparación de los materiales de carbono unidimensionales y bidimensionales es muy complicado, y es difícil llevar a cabo una producción a gran escala en el laboratorio. Las materias primas naturales, como la madera, son ricas en recursos y pueden reducir los costes de fabricación, por lo que tienen un gran potencial de desarrollo.

Los electrodos gruesos plantean problemas multidisciplinares que exigen la participación de especialistas de diversos campos profesionales, como los materiales, la electroquímica, la química y la ingeniería, así como la cooperación, la comunicación y los esfuerzos conjuntos de las comunidades científica e industrial. Además, el principio de diseño de los electrodos gruesos consiste en construir una buena red de transporte de carga, y esta idea de investigación también puede extenderse a todos los electrodos gruesos. batería de estado sólidosistemas de baterías de litio-aire y sistemas de baterías de iones de sodio.