Elektrisõidukite ja energiasalvestite kiire populaarsuse tõttu ei ole turu nõudlus akude järele mitte ainult energiatiheduses ja ohutuses, vaid ka kiires laadimisvõimes ja pikas elueas. Traditsioonilised vedelate elektrolüütide liitium-ioonakud puutuvad sageli kokku ohutusriskidega ja suurema võimsuse vähenemisega kiire laadimise ajal, samas kui kõik tahkisakud (ASSB) on pälvinud tööstusharu suurt tähelepanu, kuna neil on võimalikud eelised tahkiselektrolüütide ohutuse ja termilise stabiilsuse osas.
ASSB kiire laadimise saavutamine suure energiatihedusega pole aga lihtne ülesanne. Tavalised tahked elektrolüüdid seisavad silmitsi piiratud ioonide difusiooniga, elektroodide elektrolüüdi liidese impedantsi suurenemisega ja komposiitelektroodide struktuurse lagunemisega kiire laadimise ajal suure kiirusega tingimustes, mis toob kaasa võimsuse vähenemise ja tsükli kestuse. Varasemad uuringud on keskendunud ioonide juhtivuse parandamisele, liideste optimeerimisele ja elektroodide kujundamisele. Siiski jääb suureks väljakutseks kiire laadimise saavutamine praktilises mahus ja suure koormusega elektroodid, säilitades samas pika tsükli eluea.
See uuring keskendub NCM (LiNixMnyCozO2) positiivse elektroodi ja Li6PS5Cl tahke elektrolüüdi kombineeritud süsteemile. Peene elektroodide projekteerimise ja liidese optimeerimise abil püüab see saavutada kiiret (nt 15 mA/cm2) laadimist paksude elektroodide ja suure koormuse tingimustes, säilitades samal ajal aku stabiilsuse tuhandete tsüklite jooksul. Teisisõnu, uurimisrühma eesmärk on töötada välja kõikehõlmavad disainijuhised kõikidele pooljuhtakudele, mis võimaldavad neil saavutada kiiret laadimist suure tõhususe ja väikese kaoga, saavutades samas suure energiatiheduse.
1. Eksperimentaalne projekteerimine ja elektroodide ehitus
Selles uuringus valiti positiivse elektroodi aktiivseks materjaliks (CAM) NCM, tahkeks elektrolüüdiks Li6PS5Cl (LPSC) ning kombineeriti juhtivate ja sideainetega (nt CNF süsiniku nanokiud) ja muude komponentidega. Põhiidee on koostada 3-elektroodide projekteerimiseks täielikult pooljuhtaku koosteskeem, kasutades mitmeid projekteerimiskriteeriume (i) kuni (ix). Need disainipõhimõtted hõlmavad järgmist:
Sobiv osakeste suurus ja jaotus muudavad ioonide transpordikanalid ja elektronide juhtivusteed ühtlasemaks.
Optimeerige elektroodi paksust, poorsust ja tihendustihedust, et saavutada suurem pindalamaht ja stabiilne liidese kontakt.
Kontrollige positiivse elektroodi mikrostruktuuri ja osakeste suhet tagamaks, et ioonide difusioon ei oleks suure kiirusega laadimistingimustes oluliselt takistatud.
Uurimisrühm kinnitas kavandatud elektroodi struktuurse stabiilsuse ja poorsuse muutused erinevatel tsükliaegadel selliste iseloomustusmeetodite abil nagu SEM, XRD, XPS ja FIB-SEM 3D rekonstrueerimine.
2. Kiire laadimise jõudluse test
Uuringus viidi esmalt läbi 3-elektroodiga täisfaasiaku kiirlaadimise testid, kasutades NCM/LPSC elektrolüüti ja Li In negatiivse elektroodi konfiguratsiooni 30 kraadi juures. Laadimisvoolu tihedus tõusis järk-järgult 1mA/cm2-lt 15mA/cm2-ni (võrdne kiire laadimisega umbes 8C) ning tühjenemise ajal kasutati väiksemat voolutihedust (näiteks 1mA/cm2), et jälgida võimsuse säilimist ja tsükli eluiga. kõrge kiirusega laadimistingimused.
Tulemused näitavad, et:
Kõrge laadimiskiirusega 15 mA/cm2 võib aku siiski saavutada suure võimsusega umbes 150/mAh/g (põhineb NMC aktiivmaterjalil), efektiivse kasutusmääraga üle 90% ning laadimisaeg võib olla pikem. lühendatud umbes 8 minutini. See tähendab, et kiirlaadimine 10% SOC-lt 80% SOC-ni on saavutatav 10 minutiga, mis läheneb elektrisõidukite tööstuse ootustele kiirlaadimise osas.
Aku säilitab 81% mahutavuse pärast 3000 järjestikust kiiret laadimistsüklit, kusjuures kulontõhusus on peaaegu 99%, mis näitab suurepärast pika tsükli stabiilsust.
See näitab, et ratsionaalse mikrostruktuuri disaini ja materjalide kombinatsiooni abil on võimalik saavutada kiire laadimine ja tühjendamine pika elueaga isegi suhteliselt madalatel temperatuuridel (30 kraadi).
3. Kiire laengu ja tühjenemise mikroskoopiline mehhanism ja struktuurne areng
Sellise suurepärase jalgrattasõidu jõudluse mõistmiseks valmistasid teadlased FIB-SEM-i abil ristlõikeproovid ja viisid 10 ja 1000 tsükli järel läbi 3D-rekonstruktsiooni analüüsi. Selle tulemusena leiti, et:
Elektroodi esialgne poorsus on umbes 3% ja pärast 10 tsüklit suureneb poorsus veidi kuni 3,6% ja pärast 1000 tsüklit suureneb see umbes 6,9% -ni. Kuigi poorsus on suurenenud, on see siiski kontrollitavas vahemikus. On näha, et kiire tsükli korral läbib positiivsete elektroodiosakeste mikrostruktuur teatud deformatsiooni ja pooride suurenemise, kuid see ei ole veel põhjustanud tõsist eraldumist ega liidese delaminatsiooni.
Puuduvad ilmsed märgid pinnapoolsete reaktsioonikihtide suurest kuhjumisest. Kuigi kogu tahke elektrolüüdi ja positiivsete elektroodiosakeste vahel võib esineda liidese pingeid ja mikropragusid, ei suurene liidese takistus märkimisväärselt sobivate osakeste suhete ja tihedate pakkimismeetodite kasutamisel.
See struktuurne evolutsiooni muster näitab, et optimeeritud komposiitelektroodides, isegi kui kiire laadimine ja tühjendamine põhjustavad teatud mikropooride laienemist ja struktuurse pinge muutusi, on üldine juhtiv võrk siiski suhteliselt stabiilne.
4. Suure koormuse ja suure kiiruse tingimuste põhjalik uurimine
Praktiliste rakendusnõuete täitmiseks püüdis uurimisrühm suurendada positiivse elektroodi aktiivse materjali paksust ja kandevõimet, parandades seeläbi aku üldist energiatihedust. Tulemus:
Kui positiivse elektroodi paksus suureneb umbes 70 µm-lt 140 µm-le ja 210 µm-le, saab 50 mA/cm2 laadimistestidega siiski saavutada suure võimsuse kasutamise ja tsükli stabiilsuse. Väärib märkimist, et 210 µm paksune positiivne elektrood vastab ligikaudu 45 mg/cm2 kandevõimele, mis on tahkispatareide puhul üsna märkimisväärne.
Kiire laadimise realiseerimine paksematel elektroodidel näitab, et materjali disainistrateegia suurendab tõhusalt tahkete elektrolüütide ioonide vertikaalset difusioonivõimet ja säilitab tiheda kontakti sisemiste osakeste vahel, mis aitab vähendada ioonide peetust difusioonikanalites.
Isegi nii suure koormusega elektroodide puhul võib 10-minutiline laadimine sobivates kuumutustingimustes (80 kraadi) saavutada kuni 85% aktiivsete materjalide ärakasutamise. Heitmel on ka head rattasõidu omadused. See pakub teostatava tee tulevaste suuremahuliste elektrisõidukite akude rakenduste jaoks: kasutades paksemaid elektroode ja suuremat massikoormust, on võimalik saavutada suurem energiatoodang ilma kiiret laadimist ja eluiga ohverdamata.
5. Elektrokeemilise impedantsi ja jõudluse halvenemise analüüs
Jõudlusmuutuste mehhanismi sügavaks analüüsimiseks viisid teadlased enne ja pärast rattasõitu läbi aku vahelduvvoolu impedantsi spektroskoopia (EIS) mõõtmised:
Pärast paari esimest tsüklit aku impedants veidi suurenes, kuid stabiliseerus seejärel tuhandete tsüklite jooksul. See tähendab, et kui algselt toimub mikroliidese reguleerimine, on põhiline stabiliseerimisprotsess esialgses tsüklis lõpule viidud.
Puudub ilmselge külgreaktsioonikihtide või ioonide blokeerivate iseloomulike signaalide ülemäärane kasv, mis näitab, et hoolikalt kavandatud osakeste paigutus ja liidese struktuur võivad siiski säilitada tõhusaid ülekandekanaleid pikaajalise suure koormuse ja suure kiirusega tingimustes.
Täiendav analüüs näitab, et kiire laadimise tingimustes muutub ioonide difusioonikiirus piiravaks teguriks ja selle uuringu ülesehitus vähendab seda piirangut edukalt, võimaldades ioonidel kiiresti läbida elektrolüüdi osakeste liidest, parandades kasutamist ja vähendades polarisatsiooni.
Kokkuvõte
See uuring on kehtestanud projekteerimiskriteeriumid kõigi tahkisakude kõrge energiatiheduse, kiire laadimise ja pika eluea saavutamiseks ning näidanud nende tõhusust katsetega. Optimeerides NMC positiivse elektroodi materjali ja sulfiidse tahke elektrolüüdi (LPSC) kombinatsiooni, jaotades osakesed mõistlikult, kontrollides elektroodi poorsust ja paksust, saavutati suurepärane jõudlus 30 kraadi juures suure võimsusega (~150 mAh/g) ja pika elueaga (81%). võimsuse säilimine pärast 3000 tsüklit) isegi laadimisel 15 mA/cm2 (ligikaudu 8C kiirus). Samal ajal saab positiivse elektroodi paksuse ja koormuse suurendamisega kiire laadimise kõrge SOC vahemikus (10% -80%) siiski lõpule viia 10 minuti jooksul mõõduka kuumutamisega (80 kraadi).