Comment les électrodes épaisses améliorent-elles la densité énergétique des batteries lithium-ion ?

Électrode épaisse La conception de l'architecture de l'électrode épaisse permet, sans modifier le système chimique de la batterie, d'augmenter la teneur en matière active par unité de volume de la batterie, ce qui permet d'augmenter la densité énergétique du système de batterie. Par rapport aux deux approches précédentes, la conception de l'architecture de l'électrode épaisse présente l'avantage d'être compatible avec divers matériaux d'électrode. C'est pourquoi l'augmentation de la densité énergétique des batteries par la conception d'une architecture à électrodes épaisses a fait l'objet d'une grande attention.

Avantages et défis de l'électrode épaisse traditionnelle

La construction d'une électrode épaisse peut réduire la teneur en matériaux inactifs au niveau du dispositif de la batterie, augmenter la densité énergétique de la batterie et réduire le coût de la batterie. Cependant, la lenteur du transport des ions et des électrons et la faible stabilité mécanique des électrodes épaisses traditionnelles entraînent des performances médiocres en termes de taux et de cycle.

Le transport des charges dans les électrodes poreuses se fait en quatre étapes principales :

(1) Transport d'ions lithium dans l'électrolyte ; (2) Transport de charges à l'interface ; (3) Diffusion d'ions lithium dans la phase de masse de l'électrode ; (4) Transport de charges à l'interface entre le collecteur de courant et l'électrode. Par conséquent, l'impédance d'une électrode épaisse peut être divisée en quatre parties correspondantes : impédance électronique, impédance de transport de charge, impédance de la phase de masse de l'électrolyte et impédance de transport des ions lithium dans les électrodes poreuses.

Dans les batteries à électrodes minces, l'impédance de transfert de charge est l'étape qui contrôle la vitesse de la réaction cinétique des batteries lithium-ion, tandis qu'avec l'augmentation de l'épaisseur de l'électrode, l'impédance de transport du lithium-ion dans les électrodes poreuses devient progressivement l'étape qui contrôle la vitesse du comportement cinétique des batteries lithium-ion.

Transport de charges dans des électrodes poreuses par rapport à des électrodes de différentes épaisseurs

Par conséquent, afin d'augmenter simultanément la densité énergétique et la densité de puissance des batteries lithium-ion, il est nécessaire de construire des électrodes épaisses à haute puissance avec des canaux de transport de lithium-ion efficaces et de bons réseaux de conduction électronique.

À l'heure actuelle, la principale stratégie de construction d'électrodes épaisses à haute puissance consiste à construire des électrodes épaisses à faible tortuosité avec des canaux droits pour promouvoir le transport des ions lithium dans les électrodes épaisses, réduire la polarisation de la concentration et améliorer les performances de la batterie. En outre, le professeur Xie Jia de l'université des sciences et technologies de Huazhong a également prouvé que les électrodes à faible tortuosité peuvent atténuer efficacement la dégradation des matériaux actifs.

Idées de conception pour l'électrode épaisse

Méthodes de construction d'une électrode épaisse

À l'heure actuelle, les méthodes de construction d'électrodes épaisses sont principalement axées sur :

(1) Construire un collecteur de courant 3D, en utilisant la fibre de carbone 1D/les nanotubes de carbone avec une surface spécifique élevée, le graphène 2D et le cadre conducteur poreux 3D comme substrat d'électrode épaisse. L'électrode épaisse construite par la méthode du collecteur de courant 3D possède un bon réseau de conduction électronique ;

(2) Méthode du gabarit : les méthodes courantes comprennent la méthode du gabarit sacrificiel (gabarit d'alumine), la cellulose naturelle (bois), la méthode du gabarit de glace, etc. L'électrode épaisse préparée sur la base de la méthode du gabarit présente un certain motif et un canal de transport d'ions rectiligne ;

(3) Technologie de fabrication avancée, comprenant principalement la gravure au laser et l'impression 3D, la pièce polaire préparée présente un motif régulier et un canal de transmission des ions lithium perpendiculaire à la direction du collecteur de courant ;

(4) Frittage à basse température. Après un traitement de frittage à basse température, il est possible d'obtenir des morceaux de pôles densifiés, ce qui réduit la porosité et l'épaisseur des électrodes et permet d'améliorer la densité d'énergie volumétrique des électrodes épaisses ;

(5) Autres méthodes, telles que l'introduction d'un agent moussant et la méthode d'inversion de phase pendant la préparation de l'électrode.

Etat de la recherche sur l'électrode épaisse

Afin de réaliser la préparation par lots d'électrodes épaisses de haute puissance, les universités et l'industrie se concentrent sur la conception et la préparation d'électrodes à gradient. Dans le monde universitaire, l'électrode à double gradient (porosité et taille des particules du matériau) conçue par l'équipe de l'académicien Yu Shuhong de l'université des sciences et technologies de Chine peut atteindre une densité d'énergie volumétrique de 701 Wh▪L pour des électrodes en graphite à un taux de 6C.

L'équipe du professeur Yu Guihua de l'université du Texas a également conçu une électrode épaisse à faible gradient de tortuosité capable de cycles stables en combinant la méthode d'inversion de phase et la méthode du gabarit magnétique. Dans l'industrie, la plupart des entreprises adoptent la méthode de l'enrobage multicouche pour produire à grande échelle des électrodes épaisses de haute puissance.

Conception d'une électrode à gradient

L'étude des électrodes épaisses soulève des questions complexes en matière d'ingénierie et de science. Tout d'abord, elles doivent avoir de bonnes propriétés mécaniques pour s'adapter à la stratification de l'électrode, à l'enroulement et à d'autres processus. Deuxièmement, des réseaux efficaces de transport d'ions et d'électrons doivent être construits pour accélérer la cinétique de réaction des électrodes épaisses, réduire la polarisation ohmique et la polarisation de concentration, et améliorer les performances de vitesse et la stabilité du cycle.

La combinaison de méthodes expérimentales et de simulations théoriques pour établir la relation structure-activité entre la conception de l'architecture et la performance électrochimique de l'électrode épaisse est une idée importante pour promouvoir l'application pratique de l'électrode épaisse. Afin d'améliorer encore les performances de cycle des batteries à électrodes épaisses, la technologie de pré-lithiation peut être combinée à la conception structurelle des électrodes épaisses pour obtenir des batteries lithium-ion avec une longue durée de vie et une densité énergétique élevée.

La méthode du gabarit, la méthode de gravure au laser et la technologie d'impression 3D peuvent toutes réaliser la structure caractéristique avec une faible tortuosité, raccourcir la distance de transmission des ions lithium et améliorer la performance du taux. Le réseau de transport d'électrons joue un rôle important dans l'amélioration des performances électrochimiques des batteries lithium-ion.

La structure autoportante introduit des matériaux de carbone unidimensionnels et bidimensionnels dans l'électrode épaisse afin d'améliorer efficacement la conductivité électronique de l'électrode épaisse. Cependant, le processus de préparation des matériaux carbonés unidimensionnels et bidimensionnels est très compliqué et il est difficile de réaliser une production à grande échelle en laboratoire. Les matières premières naturelles telles que le bois sont riches en ressources et peuvent réduire les coûts de fabrication, ce qui leur confère un grand potentiel de développement.

Les électrodes épaisses posent des problèmes pluridisciplinaires qui nécessitent la participation de chercheurs issus de divers horizons professionnels tels que les matériaux, l'électrochimie, la chimie et l'ingénierie, ainsi que la coopération, la communication et les efforts conjoints des communautés scientifiques et industrielles. En outre, le principe de conception des électrodes épaisses consiste à construire un bon réseau de transport de charge, et cette idée de recherche peut également être étendue à tous les types d'électrodes épaisses. batterie à l'état solideLes systèmes d'accumulateurs à air lithium et les systèmes d'accumulateurs sodium-ion.