Anód szulfid alapú teljesen szilárdtest lítium akkumulátorhoz – 2. rész Egyéb anódok

A közelmúltban elért haladás a szulfid alapú szilárdtest lítium akkumulátorok anódján

—— 2. rész Egyéb anódok

Szerző:

JIA Linan, DU Yibo, GUO Bangjun, ZHANG Xi

1. Gépészmérnöki Iskola, Shanghai Jiao Tong Egyetem, Sanghaj 200241, Kína

2. Shanghai Yili New Energy Technology Co., LTD. , Shanghai 201306, Kína

Lítium ötvözet anód

A súlyos határfelületi mellékreakciók miatt a tiszta lítiumot nehéz rövid távon közvetlenül felhasználni szulfid szilárd elektrolitokban, így a lítiumötvözet anyagok vonzóbb lehetőséget kínálnak. A fémes lítium anódokkal összehasonlítva a lítiumötvözet anódok javíthatják a felület nedvesíthetőségét, gátolhatják az interfész oldalreakcióinak előfordulását, javíthatják a szilárd elektrolit interfész kémiai és mechanikai stabilitását, és elkerülhetik a lítium-dendritek növekedése által okozott rövidzárlatokat. Ugyanakkor a folyékony lítium-ion akkumulátorokhoz képest az ötvözet anódok nagyobb energiasűrűséget és jobb stabilitást mutathatnak a szilárdtest akkumulátorokban. Az ötvözet negatív elektródák azonban nagyobb térfogati és szerkezeti változásokon mennek keresztül a töltés és kisütés során (például Li-Si ötvözet, Li-Sn ötvözet stb.), ezért további kutatásokra van szükség az ötvözetanyagok fejlesztése és alkalmazása terén. A különféle lítiumötvözetek közül a Li-In ötvözet népszerű a laboratóriumi méretekben, mivel jobb mechanikai alakíthatósága és állandó redoxpotenciálja (0,62 V vs Li+/Li) széles sztöchiometrikus tartományban. A Li-In ötvözeteket általában termodinamikailag és kinetikailag stabil anyagoknak tekintik a szulfid elektrolitokhoz. Laboratóriumokban széles körben használják elektrolitok vagy katódanyagok teljesítményének tesztelésére, miközben jó ciklusstabilitást mutat alacsony áramerősség és alacsony terhelés mellett. A Li-In ötvözet redoxpotenciálja és molekulatömege azonban magas, ami nagymértékben csökkenti a szilárdtest-lítium-ion akkumulátorok energiasűrűség-előnyét. A tanulmányok általában úgy vélik, hogy a lítium-dendritek nem növekednek a Li-In ötvözetekben. Azonban Luo et al. töltési és kisütési teszteket végzett Li-In|LPSCl|LNO@NCM622 szilárdtest akkumulátoron nagy áramsűrűség (3,8 mA·cm{21}}) és nagy terhelés mellett (4 mA·h·cm{{23}). }). Az akkumulátor körülbelül 900 ciklus után rövidzárlatot észlelt. Az akkumulátor stabil cikluskapacitást és közel 100%-os coulombikus hatásfokot tartott a töltési-kisütési ciklusok során egészen 890 ciklusig, de a kapacitás 891 ciklus után gyorsan csökkenni kezdett, és a 897. ciklusban 0 közelébe esett. Az akkumulátor vonatkozó töltési és kisütési feszültséggörbéje a 891. ciklustól a 897. ciklusig, amelyben a töltési kapacitás fokozatosan növekszik, miközben a megfelelő kisütési kapacitás csökken. A 897. ciklusban az akkumulátor tovább töltődik, a kapacitás pedig tovább növekszik, amihez kisebb feszültségnövekedés társul, ami belső rövidzárlat és akkumulátor meghibásodását jelzi. A Li-In dendritek növekedési mechanizmusát SEM, XPS és egyéb jellemzések, valamint AIMD szimuláció segítségével tárták fel. Azt jelzi, hogy nagy áramerősség és nagy terhelés mellett. A Metallic In termodinamikailag és kinetikailag instabil a szulfid elektrolitokkal szemben. A térfogatváltozások és az enyhe felületi reakciók a Li-In dendritek növekedését idézik elő, ami végső soron az akkumulátor meghibásodásához vezet hosszú ciklusok során. A lítium-dendritek vertikális növekedésétől eltérően a Li-In dendritek növekedési módja a pórusok és a szemcsehatárok mentén történő oldalirányú növekedés. A növekedés üteme lassú, és csekély mértékben károsítja a szulfid elektrolit szerkezetét (6. ábra). Ezért a Li-In dendrit növekedése elnyomható a fémelektród/szilárd elektrolit elektrokémiai stabilitásának javításával és az elektrolit porozitásának csökkentésével.

6. ábra Cikluszás előtti és utáni interfész fejlődése Li-In|LPSCl|LNO@NCM622 cellához

Az Al előnyei a nagy rugalmasság, nagy tartalékok és magas elektronikus vezetőképesség. Nagy elméleti fajlagos kapacitással (990 mA·h·g-1) és kis térfogatú tágulási rátával (96%) rendelkezik a lítiumötvözet anyagok között. Ez az egyik legígéretesebb szilárdtest lítium akkumulátor anód anyag. Ahogy a 7(a) ábrán látható, Pan et al. Li-Al ötvözetből készült negatív elektródát készítettünk kötőanyag és vezetőanyag nélkül (Li0.8Al, fajlagos kapacitás 793 mA·h·g-1, 0,35 V vs Li+/Li). Jól kompatibilis az LGPS elektrolittal. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az elkészített Li-Al ötvözet anód munkapotenciálja az LGPS tényleges elektrokémiai stabilitási ablakán belül van. 7. b) pont]. Megakadályozva az elektrolit redukcióját és lebomlását, az összeszerelt szilárdtest-akkumulátor kiváló megfordíthatóságot mutatott, kapacitásmegtartási aránya 200 ciklus alatt 93,29%-ot is elért. 1,25 N/P arány mellett az akkumulátor energiasűrűsége elérte az 541 W·h·kg-1 értéket, ami azt bizonyítja, hogy a Li-Al ötvözet kiváló alkalmazási kilátásokkal rendelkezik.

7. ábra A Li-Al ötvözet anód vázlata ASSLB-ben

Sakuma et al. tanulmányozta a Li-Sn ötvözet, a Li-Si ötvözet és a Li4-x Ge1-x P x S4 elektrolit egyezését, és kisebb határfelületi ellenállást és magasabb redoxpotenciált észlelt. Hashimoto et al. nagy energiájú golyós marást használtak Li4.4Ge x Si1-x (x=0~1.0) sorozat elkészítéséhez. Közülük a Li4.4Ge0.67Si0.33 rendelkezik a legnagyobb fajlagos kapacitással (190 mA·h·g-1), és jó a töltési és kisütési reverzibilitása. Park et al. mechanikus golyós marást használtak a lítiumpor és a szilíciumpor összekeverésére és őrlésére a Li4.4Si ötvözet, a Li4Ti5O12 pozitív elektróda és a Li2S-P2S5 elektrolit előállításához egy teljesen szilárdtest lítium akkumulátor összeállításához. A tanulmány megállapította, hogy az akkumulátor teljesítménye jelentősen javult a Li-Si ötvözet másodlagos golyós marása után, azaz a lítium-Si ötvözet részecskeméretének csökkenése elősegítette a lítium egyenletes lerakódását és leválasztását töltési és kisütési folyamat.

A lítiumötvözet fóliák a negatív elektróda interfészének stabilizálására is használhatók. Choi et al. egyszerű hengerlési módszert használtak a 10 μm vastagságú Ag és a 150 μm vastag Li kombinálására, majd külső nyomás alkalmazásával Li-Ag ötvözet filmet kaptak. A magas Ag-tartalom könnyen stabil határfelületet képez a szulfid-elektrolittal, és gátolja a lítium-dendritek növekedését. Ezenkívül a fennmaradó kis mennyiségű Ag, amely nem képez Li-Ag ötvözetet, részt vesz a szilárd oldat reakciójában a Li-vel, ami enyhíti a lítium egyenetlen növekedését. Az összeszerelt szilárdtest akkumulátor 94,3%-os kapacitásmegtartást mutatott 140 ciklus alatt, és stabilan, 12 C-os sebességgel is működhetett. Kato és munkatársai kutatása. azt találta, hogy egy Au film behelyezése a Li/Li3PS4 elektrolit interfészbe megakadályozhatja az üregek képződését a lítium kezdeti feloldódása után, és növelheti a Li lerakódási helyeket, ami javítja az akkumulátor visszafordíthatóságát. Ezenkívül az Au film fémes lítiumba való feloldódása oka lehet a negatív elektróda interfész elektrokémiai teljesítményének javítására. A Li/Li3PS4 interfészbe behelyezett Au fóliával ellátott Li-szimmetrikus cellák stabilan működhetnek nagy áramsűrűség (1,3 mA·cm-2) és nagy felületi kapacitás mellett (6,5 mA·h·cm{21}} ) rövidzár nélkül. Az összeszerelt Li/Au/Li3PS4/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 szilárdtest akkumulátor élettartama több mint 200-szoros nagy, 2,4 mA·cm-2 áramsűrűség mellett.

Szilícium anód

Az Si-t az egyik legígéretesebb anódanyagnak tartják rendkívül nagy elméleti fajlagos kapacitása (4200 mA·h·g-1), nagy tartaléka, alacsony költsége, környezetbarátsága, nem mérgező, és alacsony, 0,4 V üzemi potenciál. A Si-anódok folyékony lítium-ion akkumulátorokban való alkalmazására vonatkozó kutatásokat több mint harminc éve fejlesztették ki, és még mindig nagyon népszerűek. A közelmúltban, amikor a teljesen szilárdtest lítium akkumulátorok beléptek az energiakutatás területére, megkezdődött a munka a jól fejlett szilícium technológiának a folyékony lítium-ion akkumulátoros rendszerekről teljesen szilárdtest akkumulátoros rendszerekre való átalakítása érdekében. A folyékony lítium-ion akkumulátorok nagy kapacitású szilícium anódjainak fejlesztésével kapcsolatos kutatásokhoz képest azonban, bár kevés jelentés szól a szilícium anódok szulfid, szilárdtest akkumulátorokon alapuló alkalmazásáról, a bemutatott eredmények még mindig nagyon fontosak. A Si-anód azonban alacsony elektromos vezetőképességgel (1,56 × 10-3 S·m-1), alacsony lítium-ion diffúziós együtthatóval (10-14-10-13 cm2·S-1) rendelkezik, és nagy térfogatnövekedés (Li4. 4Si kb. 360%) és egyéb hátrányok, ami korlátozza alkalmazási körét. Az ok, amiért a Si-negatív elektróda meghibásodik az akkumulátorban, általában a Si nagy térfogatú tágulása a litiációs/delitiációs folyamat során, ami porosodást, repedést és hatalmas feszültséget okoz, és súlyos pusztító következményekkel jár. Például: (1) Az elektróda szerkezeti integritásának romlása a kisütés/töltés közbeni ismétlődő zúzódás miatt. (2) Az elektróda és az áramkollektor közötti kapcsolat megszakadása határfelületi feszültség miatt. (3) A lítium-ionok a SEI-réteg folyamatos kialakulási-pusztulási-reformációs folyamata során folyamatosan fogyasztanak.

Jelenleg a szilícium anódok optimalizálására a szilárdtest lítium akkumulátorok általánosan használt módszerei közé tartozik a méretszabályozás (nano-szilícium), a szerkezeti tervezés, a vékonyréteg anódok, az ötvözés, a nyomás alkalmazása, a kompozit anódok fejlett kötőanyagokkal/vezető anyagokkal (például Si) -C anódok) stb. Sakabe et al. Magnetron porlasztást használt a nem porózus és porózus amorf szilícium anódok előállítására, és kombinálta őket 80Li2S·20P2S5 elektrolittal a ciklusképességi tesztek elvégzéséhez. 1 00 ciklus után a 3,00 µm vastag, nem porózus amorf szilíciumfilm csak körülbelül 47%-os kapacitást mutatott a 10. ciklushoz képest. A 4,73 µm-es porózus amorf szilícium film 3000 mA·h·g{19}} lítiációs kapacitást mutat. 100 ciklus után a kapacitás megtartási arány a 10. ciklushoz képest meghaladja a 93%-ot. Azt mutatja, hogy a porózus szerkezet hatékonyan javíthatja az akkumulátor ciklusstabilitását. Okuno et al. A porózus szilícium kompozit anódot egy teljesen szilárdtest akkumulátorra alkalmazta Li3PS4 elektrolittal, és 100 ciklus alatt több mint 90%-os kapacitásmegtartást mutatott. Ennek az az oka, hogy a szilíciumrészecskék pórusai feloldják a litiáció és delitáció során bekövetkező hatalmas térfogatváltozásokat, javítva a ciklusstabilitást. Ezzel szemben a kereskedelmi forgalomban kapható nem porózus szilícium anódok ciklusstabilitása gyenge, és a kapacitásmegtartási arány 100 ciklus alatt csak 20% vagy még ennél is alacsonyabb. Poetke et al. beszámolt arról, hogy a szilícium-szén kompozit üreges nanoanyagokat negatív elektródákként használták a szilárdtest-lítium-ion akkumulátorokhoz, és sikeresen alkalmazták Si-C|Li6PS5Cl|NCM teljes akkumulátorokhoz. A tanulmányban használt nanostrukturált Si-C kompozit rést biztosít a szilícium nanorészecskék (SiNP-k) és a külső szénhéj között. A szénhéj hatékonyan kompenzálja a szilícium térfogatváltozásait, javítva az elektrokémiai teljesítményt a csupasz SiNP-ekhez képest.

Az elmúlt években a tudományos közösség többször is áttörést ért el a tiszta szilícium anódok kutatásában. A 2020-ban Cangaz et al. oszlopos szilícium anódról számolt be, amelyet PVD-eljárással készítettek elő, és Li6PS5Cl elektrolittal és LiNi0.9Co{{90}}-val kombináltak.05Mn0,05O2 katód nagy fajlagos kapacitású szilárdtest akkumulátor (210 mA·h·g-1). Az oszlopos szilícium anódot több mint 100-szor stabilan körbeforgatták nagy, 3,5 mA·h·cm{17}} terhelés mellett, 99,7–99,9%-os coulombos hatásfokkal. A ciklus során az oszlopos szilícium szerkezet függőleges irányban a lítium anódhoz hasonló egydimenziós légzőhatást mutat. Ez az egydimenziós légzés kompenzálható az oszlopos szilícium szerkezet belső porozitásával és a külső kötegnyomással, stabil kétdimenziós SEI-t alkotva. A kötegnyomás (20 MPa) ugyanakkor az oszlopos szilícium és az áramkollektor delaminációját is elnyomja. A fémes lítium anódokkal összehasonlítva ez az oszlopos szilícium anód kiküszöböli a lítium-dendritek, a rövidzárlatok és az elhalt lítiumveszteség kockázatát. 2021-ben Tan et al. egy 99,9,9%-os (tömeg) kereskedelmi mikronminőségű tiszta szilícium Si (μ-Si) anódról számolt be. A negatív elektróda és a Li6PS5Cl elektrolit közötti interfész érintkezési terület egy kétdimenziós sík, még akkor is, ha a töltés és a kisütés során térfogatnövekedés következik be. A kétdimenziós sík azonban továbbra is megmarad, és nem képződik új interfész. A lítiumozott μ-Si negatív elektróda által alkotott Li-Si ötvözet egyedülálló kémiai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, ami növeli a negatív elektróda és az elektrolit érintkezési felületét [8(a) ábra]. A μ-Si-ből, Li6PS5Cl elektrolitból és NCM811-ből összeállított szilárdtest lítium akkumulátor stabilan működik nagy felületi áramsűrűség (5 mA·cm-2) és széles hőmérsékleti tartomány mellett (-20~). 80 fok). 500 stabil ciklus után 80%-os kapacitásmegtartási rátával és 99,95%-os átlagos coulombos hatásfokkal rendelkezik [8(b) ábra], ami a mikro-szilícium szilárdtest akkumulátorok eddigi legjobb teljesítménye. Érdemes megemlíteni, hogy a μ-Si anód nagy áramsűrűségű cikluson megy keresztül vezető szénanyagok nélkül, hatékonyan elnyomva a szulfid-elektrolit bomlását. Új ötleteket ad a Si-C kompozit elektródákban lévő szén káros hatásairól a hagyományos gondolkodásban. 2022-ben Cao et al. golyós marással nano-szilícium (nm-Si) részecskékből, vezető szénből és Li6PS5Cl-ből álló kompozit negatív elektródát készítettünk. A kompozit negatív elektróda belül jó elektronikus és ionvezető képességgel rendelkezik, ami hatékonyan csökkentheti a helyi áramsűrűséget és gátolja a lítium-dendritek képződését a negatív elektróda felületén. Egykristályos NMC811 katódanyaggal van kombinálva, amely szol-gél módszerrel van bevonva. 47 μm vastagságú Li6PS5Cl fóliát elektrolitként használva egy teljesen szilárdtest lítium akkumulátort kaptunk, amelynek energiasűrűsége akár 285 W·h·kg{72}} is lehet. A teljes akkumulátor nagy, 145 mA·h·g-1 kapacitást ért el C/3-on 1000 stabil cikluson keresztül. A kompozit szilícium anód a nagyüzemi gyártás lehetőségét mutatja, jelentősen csökkenti a költségeket, és irányt ad a szilárdtest lítium akkumulátorok kereskedelmi forgalomba hozatalához. A Tan negatív elektróda tervezési koncepciójától eltérően ez a kompozit negatív elektróda nemcsak elektrolitot, hanem szénvezető anyagot is ad hozzá. Ennek az az oka, hogy a μ-Si-hez képest az nm-Si nagyobb felülettel rendelkezik, több határ van a szilícium anódban, és általában SiO réteg van az nm-Si felületén. Ezért az elektromos vezetőképesség általában 3 nagyságrenddel alacsonyabb, mint a μ-Si-é, ami gátolja az elektronvezetést a töltés és a kisülés során. A kísérletek azt mutatják, hogy az nm-Si anódról a lítium eltávolítása során az elektrolit csak kismértékben bomlik le, és nem képződnek lítium-dendritek. A fenti rendszer alapján Cao et al. bipoláris stack kialakítású akkumulátor architektúrát javasolt. Az egyes cellák sorba vannak kötve egy áramkollektoron keresztül, hogy csökkentsék az inaktív anyagok felhasználását, ezáltal nagyobb energiasűrűséget érjenek el. Pontosabban, egy kétrétegű halmozott szilárdtest lítium akkumulátor, amely interfész-stabil egykristályokból LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2, Li6PS5Cl és nm-Si szolgál pozitív elektródaként, elektrolitként és negatív elektródaként. 8,2 V magas feszültség. Az akkumulátor szintű energiasűrűség 204 W·h·kg{104}}, ami magasabb, mint egyetlen akkumulátor 189 W·h·kg{106}} értéke. Ez a kétpólusú halmozott kialakítás jó referencia jelentőséggel bír a teljes szilárdtest-akkumulátor területén.

8. ábra Interfész jellemzés és ciklusteljesítmény a µ-Si anód és a Li6PS5Cl között az ASSLB-ben

Az 1. táblázat összefoglalja a szulfid szilárd elektrolit/anód határfelület megoldásait, valamint a megfelelő előnyöket és hátrányokat.

1. táblázat Az anódok és a szulfid alapú szilárdtest elektrolitok közötti határfelületi problémák megoldása

Egyéb anódok

Ezüst szén negatív elektróda

Lee et al. egy teljesen szilárdtest akkumulátor-konstrukciót közölt ezüst-szén (Ag/C) közbenső réteg használatával [9(a) ábra]. Ez a rétegközi kialakítás hatékonyan szabályozza a lítium lerakódási folyamatát, és az Ag/C réteg és az áramkollektor között nagymértékben visszafordítható lítiumlerakódási és sztrippelési jelenségek figyelhetők meg. Ezek közül a C a Li6PS5Cl elektrolit leválasztására szolgál a lerakódott fém lítiumtól, ami nemcsak az elektrolit redukcióját, hanem a lítium-dendritek képződését is megakadályozza. Az Ag csökkentheti a fémes lítium nukleációs energiáját, így Ag-Li ötvözetet képez. Az Ag egy része az áramkollektor felületére kerül, hogy szilárd oldatot képezzen fémes lítiummal, elősegítve az egyenletes lítium lerakódását. A kisülés után a fémes lítium réteg teljesen feloldódik, míg az Ag az áramkollektor és az Ag-C réteg között marad. Ez a kialakítás képes alkalmazkodni a fémes lítium térfogatváltozásához a kerékpározás során, csökkenti a lítium anód helyi áramsűrűségét és javítja a ciklus stabilitását. Amint a 9(b) ábrán látható, az összeszerelt tasak akkumulátor (0,6 A·h) nagy energiasűrűséget mutat (több mint 900 W·h·L-1) 60 fokos szögben. Stabil coulombikus hatásfok meghaladja a 99,8%-ot. Hosszú élettartam (1000 ciklus). Új ötleteket ad a szilárdtest lítium akkumulátorok kereskedelmi alkalmazásához.

9. ábra Ag-C anóddal használt szulfidalapú ASSLB-k szerkezete és ciklusteljesítménye

Grafit

A lítium-ion akkumulátorok különféle interkalált anódanyagai közül a grafit a kereskedelmileg legsikeresebb anyag alacsony költsége, nagy tartalékai és hosszú élettartama miatt. A teljesen szilárdtest akkumulátorok területén azonban a grafit korlátozott elméleti kapacitása miatt nem került a negatív elektródák anyagválasztásának középpontjába. A korai jelentések szerint a grafitot gyakran használták anódanyagként az újonnan szintetizált szilárd szulfid elektrolitokhoz. A későbbi kutatások a szulfid ASSLB-kben lévő grafit alapvető működési mechanizmusára összpontosítottak, hogy optimalizálják az elektródák tervezését és gyártását. A legújabb kutatások során a grafitot gyakran használják nagy energiájú anódanyagok vázaként, szerkezeti integritást és elektromos vezetőképességet biztosítva. Más jelenlegi negatív elektródák, például a lítium és a szilícium azonban továbbra is problémákkal küzdenek, mint például a magas költségek, a nagy térfogatú tágulási sebesség és az instabil ciklus. Ezért a grafit, mint alacsony költségű, nagy tartalékokkal, magas fokú kereskedelmi forgalomba hozatallal és nagy stabilitással rendelkező anyag, fontos szerepet játszhat a szilárdtest akkumulátorok folyamatfejlesztésében a korai szakaszban. Folyamatosan optimalizálni kell a grafit rendelkezésre álló kapacitását.

Áramgyűjtő előkezelés

Az anód nélküli lítium-ion akkumulátorok az áramgyűjtőt közvetlenül az akkumulátorral szerelik össze anélkül, hogy lítiumot adnának hozzá, ahol a fémes lítium az első töltési ciklus során a teljesen lítiumionos katód bevonatból az áramkollektoron lévő lítium-ionok redukciójával jön létre. Ezt a koncepciót alaposan tanulmányozták a lítium-ion akkumulátorok területén, és néhány csapat ezt a kialakítást kiterjesztette a szilárdtest lítium akkumulátorokra is. Gu és mtsai. a rozsdamentes acél áramkollektor (SSCC) felületét különböző mértékben martatta, Li5.5PS4.5Cl1.5 szilárd elektrolittal illesztette, és elektrosztatikus ciklust hajtott végre aszimmetrikus akkumulátorkonfigurációval (lítiumfólia|rozsdamentes acél fólia). A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a különböző SSCC érdesség nagyobb hatással van az akkumulátor teljesítményére. A 180 nm-es érdességű SSCC-kkel összeállított szilárdtest akkumulátorok jobb elektrokémiai ciklusteljesítményűek, mint a mindössze 20 nm-es érdességű akkumulátorok. Ez annak köszönhető, hogy a durva felület növeli az elektrolit és az áramkollektor közötti érintkezési pontokat, több reakciópontot biztosítva, és lehetővé teszi a lítium egyenletes lerakódását a felületen. Ha azonban a felületi érdesség meghaladja az 500 nm-t, az erősen érdesített felület miatt a lítium-ionok alig érik el az áramkollektor maratott alján lévő korlátozott érintkezési pontokat. Ez csökkenti a lítium kiválását és rosszabb teljesítményt mutat. Ez a jelenség nem fordul elő folyékony akkumulátorokban. Ez azt mutatja, hogy a szilárd elektrolit és az áramkollektor közötti kölcsönhatás jelentősen eltér a folyékony elektrolit kölcsönhatásától. A negatív elektródamentes szilárdtest-akkumulátor áramkollektorának tervezése előtt az alapvető működési mechanizmusok és jellemzők további feltárása szükséges.

Összegzés és kitekintés

A nagy ionvezetőképességű LGPS megjelenésével a szulfid, szilárdtest lítium-ion akkumulátorokkal kapcsolatos kutatások jelentősen megnövekedtek. Közülük az anódanyagok kiválasztása és az interfészproblémák megoldása került a kutatások egyik fókuszába. Sok tudós átfogóan összefoglalta a lítium anód/szulfid elektrolit határfelülettel kapcsolatos kutatási eredményeket. Ez a cikk szisztematikus áttekintést nyújt a szulfidelektrolitokon alapuló szilárdtest lítium akkumulátorok főbb anódanyagairól, például fémes lítiumról, lítiumötvözetekről és szilícium anódokról. Javasolták a lítium anód és a szulfid elektrolit közötti interfész problémát, és összefoglalták az interfész tulajdonságainak javítására szolgáló közös stratégiákat. Jelenleg a teljesen szilárdtest lítium-ion akkumulátorok még mindig távol állnak a kereskedelmi alkalmazástól, és hiányzik a teljes alapvető elméleti kutatás és műszaki támogatás. Ezért a jövőbeli kutatások során a következő kérdésekre még figyelmet kell fordítani.

(1) A lítiumötvözet anódok kiváló lítiumtároló kapacitással és stabilabb teljesítménnyel rendelkeznek, és nagy potenciált mutatnak a lítium anód dendrit növekedésének és rövidzárlatának megoldásában, nagy energiasűrűség és hosszú távú stabil szilárdtest lítium akkumulátorok elérésében. A teljes szilárdtest akkumulátorok területén a szilárd-szilárd interfész érintkezési jellemzői miatt megoldható az ötvözött anyagok és folyékony elektrolitok reakciója által okozott ismételt SEI generálás problémája. Az ötvözött anódok jobb alkalmazása érdekében alapvető és alkalmazott munkákat kell végezni az ötvözött anódok kémiájának, elektrokémiájának, mechanikai tulajdonságainak és működési mechanizmusának megértése érdekében szilárdtest akkumulátorokban, hogy kielégítsék a nagy teljesítményű akkumulátorok iránti igényeket. kapacitású, hosszú távú stabil szilárdtest akkumulátorok. .

(2) A szilícium anódok maximalizálhatják a szilárdtest lítium-ion akkumulátorok energiasűrűségét. Mivel azonban a szilícium elektromos vezetőképessége alacsony, az általánosan használt szénvezető szerek felgyorsítják a szulfid-elektrolitok bomlását. A szilícium anód összetételi paramétereinek szabályozása úgy, hogy az ne befolyásolja az elektróda vezető útját, és ne okozza a szulfid elektrolit bomlását, nagy kihívás a szilícium anód előkészítési folyamata előtt. Technikai akadályt is jelent a szilícium anódok nagyszabású iparosítása előtt szulfid szilárdtest akkumulátorokban.

(3) A kis készletek és a fém lítium magas árának problémáira a tényleges kereskedelmi alkalmazásoknál is figyelmet kell fordítani. Bár a fémes lítium anód előnyös a lítiumbevonat folyamatában, nem szükséges az elektrokémiai reakciójú lítium bevonat megvalósításához. A fém lítium felhasználási feltételei rendkívül szigorúak, és a lítium akkumulátorok tömeggyártása óriási biztonsági kockázatokat rejt magában. Ezért a költségek csökkentése, a biztonság javítása és a végső kereskedelmi forgalomba hozatal elérése érdekében a lítium anódok nélküli szilárdtest lítium akkumulátorok fejlesztése kutatási irány. Például az Ag-C kompozit elektródával kapcsolatos kutatás jó ötletet ad a következő munkához. Ezen túlmenően az áramkollektorok alapvető működési mechanizmusa és jellemzői is további kutatást igényelnek az áramkollektorok célzott előkezelése érdekében, hogy nagy teljesítményű, negatív elektródák nélküli szilárdtest akkumulátorokat kapjanak.

A negatív elektródaanyagok fejlesztése a szilárdtest akkumulátorok területén még hosszú utat kell megtenni. A kutatás elmélyülésével a nagyenergiájú negatív elektródákra épülő szilárdtest akkumulátorok egyértelműen megmutatják egyedülálló előnyeiket a másodlagos akkumulátorok területén.