Skannande elektronmikroskop (SEM) bilder av Sn4P3/C -kompositpartiklar (1:a raden:1:a bilden), och ytan på Sn4P3/C -kompositfilmen tillverkad av AD -processen (1:a raden:3:e bilden). Motsvarande elementära fördelningar för Sn, P, och C visas också. Kredit:(c) Toyohashi University of Technology. Alla rättigheter förbehållna.
Forskare vid Toyohashi University of Technology har framgångsrikt tillverkat en bindemedelsfri tennfosfid (Sn 4 P 3 )/kol (C) kompositfilmselektrod för litiumjonbatterier via aerosolavsättning. Sn 4 P 3 /C -partiklar stelnade direkt på ett metallsubstrat via stötkonsolidering, utan att använda ett bindemedel. Laddnings- och urladdningscykelstabiliteten förbättrades genom både komplexat kol och kontrollerat elektrisk potentialfönster för litiumextraktion. Denna upptäckt kan hjälpa till att förverkliga avancerade litiumjonbatterier med högre kapacitet.
Litiumjonbatterier (Li-ion) används ofta som strömkälla i bärbara elektroniska enheter. De har nyligen väckt stor uppmärksamhet på grund av deras potential att anställas i stor skala som kraftkälla för elfordon och pluginhybridelektriska fordon, och som stationära energilagringssystem för förnybar energi. För att förverkliga avancerade Li-ion-batterier med högre energitäthet, anodmaterial med högre kapacitet krävs. Även om några Li-legeringar som Li-Si och Li-Sn, vars teoretiska kapacitet är mycket högre än grafit (teoretisk gravimetrisk kapacitet =372 mAh/g), har studerats utförligt, de resulterar i allmänhet i dålig cykelstabilitet på grund av den stora variationen i volym under laddnings- och urladdningsreaktioner.
Tennfosfid (Sn 4 P 3 , teoretisk gravimetrisk kapacitet =1255 mAh/g) med en skiktad struktur, allmänt används som ett högkapacitetslegeringsbaserat anodmaterial för litiumjonbatterier, har en genomsnittlig driftspotential på - 0,5 V kontra Li/Li + . Rapporter tyder på att komplexiserande kolmaterial med nanostrukturerade Sn 4 P 3 partiklar förbättrar cykelstabiliteten avsevärt. Rent generellt, elektroder som används i batterier tillverkas genom beläggning av en uppslamning innefattande elektrodaktiva material, konduktiva koltillsatser, och bindemedel på metallfolier. För kolkomplexbaserad Sn 4 P 3 (Sn 4 P 3 /C) anoder (såsom de som rapporteras i litteraturen), viktfraktionen av de aktiva materialen i en elektrod minskar med cirka 60 - 70 % på grund av användningen av betydande mängder ledande tillsatser och bindemedel för att uppnå stabil cykling. Följaktligen, den gravimetriska specifika kapaciteten per elektrodvikt (inklusive kapaciteten för konduktiva koltillsatser och bindemedel) minskas avsevärt.
Cykelprestanda hos Sn 4 P 3 och Sn 4 P 3 /C-kompositfilmer för olika kolinnehåll (vänster) i en tvåelektrodcell med Li-metall som motelektrod. Cykeltest utfördes vid cellspänningsfönster från 0 V till 2,5 V. SEM -bilder av Sn 4 P 3 /C kompositfilmyta efter den första (mitten) och 100 th cykler (höger) visas också. Kredit:(c) Toyohashi University of Technology. Alla rättigheter förbehållna.
Forskare vid Institutionen för elektrisk och elektronisk informationsteknik, Toyohashi tekniska universitet, har framgångsrikt tillverkat en bindemedelsfri Sn 4 P 3 /C kompositfilmselektrod för litiumjonbatterianoder via aerosolavsättning (AD). I denna process, Sn 4 P 3 partiklar komplexbildas med acetylensvart med användning av en enkel kulfräsmetod; den erhållna Sn 4 P 3 /C -partiklar stelnar sedan direkt på ett metallsubstrat via stötkonsolidering utan tillsats av andra ledande tillsatser eller bindemedel. Denna metod möjliggör förbättring av fraktionen av Sn 4 P 3 i kompositen till över 80%. Vidare, strukturell förändring av kompositelektroden reduceras och cykelstabiliteten förbättras för både komplext kol och kontrollerat elektrisk potentialfönster för litiumextraktionsreaktion. Sn 4 P 3 /C -kompositfilm tillverkad av AD -processen upprätthåller gravimetriska kapaciteter på cirka 730 mAh g -1 , 500 mAh g -1 , och 400 mAh g -1 vid 100 th , 200 th , och 400 th cykler, respektive.
Den första författaren Toki Moritaka citeras för att säga:"Även om det var svårt att optimera avsättningsförhållandena, användbar information om förbättrad cykelstabilitet hos Sn 4 P 3 /C kompositfilmelektrod tillverkad med AD -processen erhölls. Det komplexa kolet fungerar inte bara som en buffert för att undertrycka kollaps av elektroder orsakade av den stora variationen i volym av Sn 4 P 3 , men också som en elektronisk ledningsväg bland de atomiserade aktiva materialpartiklarna i kompositen. "
Långsiktig cykelprestanda för Sn4P3/C-kompositfilmer vid olika cellspänningsfönster från 0 V till 0,75 V, och det från 1 V och till 1,25 V (vänster). SEM-bilder av Sn4P3/C-kompositfilmytor cyklade vid 0 V-0,75 V (mitten) och att vid 0 V-1,25 V (höger) visas också. Kredit:(c) Toyohashi University of Technology.
"Denna process är ett effektivt sätt att öka kapacitetsvärdet per elektrodvikt. Vi tror att det finns utrymme för förbättring av den elektrokemiska prestandan med kolets storlek och innehåll i Sn 4 P 3 /C används vid tillverkning av kompositfilm genom AD -processen. Vi försöker nu optimera det komplexa kolinnehållet och öka kompositfilmens tjocklek, "citerar docent Ryoji Inada.
Resultaten av denna studie kan bidra till att förverkliga avancerade litiumjonbatterier med högre kapacitet. Dessutom, eftersom inte bara Li utan Na också kan lagras i och extraheras från Sn 4 P 3 genom liknande legerings- och dealloying -reaktioner, Sn 4 P 3 elektrod kan användas i nästa generations Na-jonbatterier till mycket lägre kostnader.
