发布时间：2025-01-08 17:12:29
电池研究 （上）
电池研究的***进展使锂离子电池成为电动汽车、智能手机和电网规模储能的支柱。锂离子电池包含几个主要部件。带正电的区域（阴极）存储锂（通常以LiCoO?的形式），而带负电的区域（阳极）存储不同的固体元素或化合物。阴极和阳极由离子多孔隔板隔开。当电池充电时，电解质将锂离子从阴极输送到阳极。这些离子与阳极材料发生反应，这一过程称为锂化。或者，电解质可以向相反方向传输这些 Li +离子，从而释放出为外部电路供电的电子。 下面带您了解等离子体处理技术是如何推动电池研究的。等离子体处理提高了电池组件的附着力，增强了电化学反应，可以改变电池隔膜的离子孔隙率。 01 改进电池隔膜 尽管锂离子电池有许多优点，但其安全性还需要进一步改进。一个常见的故障点是电池隔膜，它通常由聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）制成。在能量密度较高的电池中，隔膜经常会撕裂或收缩，导致阴极和阳极接触。由此产生的短路是一个严重的安全隐患。 为了提高这些隔膜的机械性和热稳定性，许多研究人员采用逐层组装或接枝的方法来施加额外的涂层。在Moon等人的一项研究中，等离子处理是这一过程的重要组成部分。在氧化铝 (Al?O?) 原子层沉积 (ALD) 之前，Moon 等人使用离子体处理多孔聚乙烯 (PE) 隔膜以激活其表面，然后将隔膜浸涂在聚多巴胺 (PDA) 中。 与裸PE隔膜相比，涂层隔膜在高温测试中的收缩率平均减少了13倍，表明热稳定性得到了改善。PE/Al?O?/PDA隔膜的电解液吸收率也比裸PE隔膜高出450%。电解液吸收率的提高与界面电阻的降低和电池寿命的延长有关。 经过改良的隔膜也可以提高锂离子电池的性能。例如，二氧化硅（SiO?）通常沉积在多孔聚乙烯（PE）隔膜内，以增加锂离子电池的体积能量密度。Choi等人使用等离子处理来协助这一过程。隔膜经过等离子体处理，以改善随后水蒸气在表面的吸附。将样品置于四氯化硅（SiCl4）蒸气中，水与SiCl4蒸气反应生成SiO? 。 Kim 等人也将此工艺流程用于研究 钠离子电池中。Kim 指出，较长的等离子体处理时间可提高隔膜的亲水性。在 Kim 的研究中，经过 50 次电池循环后，含有 SiO? 涂层隔膜的电池的容量是含有裸隔膜的电池的 18 倍。 【参考文献】 Choi, Y., Kim, J. Il, Moon, J., Jeong, J., & Park, J. H. (2018). Electron beam induced strong organic/inorganic grafting for thermally stable lithium-ion battery separators. Applied Surface Science, 444, 339–344. /10.1016/j.apsusc.2018.03.093 Kim, J. Il, Heo, J., & Park, J. H. (2017). Tailored Metal Oxide Thin Film on Polyethylene Separators for Sodium-Ion Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 164(9), A1965–A1969. /10.1149/2.1031709jes Moon, J., Jeong, J. Y., Kim, J. Il, Kim, S., & Park, J. H. (2019). An ultrathin inorganic-organic hybrid layer on commercial polymer separators for advanced lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 416, 89–94. /10.1016/j.jpowsour.2019.01.075 02 固体复合电解质 虽然大多数锂离子电池都含有液体电解质，但固体复合电解质（SCE）等替代品正在引起人们的关注。液体电解质具有可燃性和锂枝晶生长的危险性，可能会导致电池短路。相比之下，固体复合电解质避免了这两个问题。SCE由聚合物基质中的陶瓷碎片组成。理想情况下，这些固体复合电解质（SCE）可以将陶瓷电解质的高离子导电性和耐久性与聚合物的电解质-电极界面稳定性结合起来。不幸的是，由于电解液和电极的制造步骤不同，在电解液-电极界面上会形成了许多空隙。这些空隙增加了界面阻力，从而降低了电池性能。 为了解决这个问题，Kim等人开发了一种含有固体复合电解质的锂离子电池的连续制造工艺。SCE是由LLZO和PVDF-HFP在n-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液中形成的。将氧化钒（V2O5-x）层溅射到电流收集器上形成电池阴极后，将SCE滴铸到阴极上。然后对该装置进行热压，以去除在滴铸过程中形成的大部分空隙。然后，Kim 对该装置进行等离子体处理，然后为阳极沉积锂膜。与热压 SCE 和锂阳极之间的界面电阻相比，这种等离子处理将 SCE/阳极界面电阻降低了 3 倍。 【参考文献】 Kim, J. H., Go, K., Lee, K. J., & Kim, H. S. (2022). Improved Performance of All-Solid-State Lithium Metal Batteries via Physical and Chemical Interfacial Control. Advanced Science, 9(2). /10.1002/advs.202103433 03 采用新型阳极材料 由于成本低廉且广泛可用，石墨是锂离子电池最常见的阳极材料。不幸的是，石墨阳极容易形成不必要的固体电解质界面（SEI）。在某些工作电压下，电池的电解质分解并与阳极发生反应，形成钝化层。该层会减缓锂离子向阳极的扩散并捕获其中一些离子。随着时间的推移，可用离子的下降会降低电池的容量，导致过早失效。 为了限制电解质的分解，研究人员正在研究锂离子电池的替代阳极材料。其中一种材料是二氧化钛（TiO?）。Charlton等人研究了TiO?阳极与各种电解质之间的电化学相互作用。该工艺要求TiO?薄膜具有优异的机械稳定性。作为TiO?沉积过程的一部分，Charlton通过等离子体处理碳膜以引入富氧物质。这一步骤增强了TiO?薄膜的后续原子层沉积（ALD）。Charlton观察到二氧化钛（TiO?）与六氟磷酸锂（LiPF6）电解质反应形成氢氟酸（HF），这会降低电池性能。当电解质中加入氢氟酸清除剂（三丁基胺）时，这种影响会减轻。 【参考文献】 Charlton, M. R., Dylla, A. G., & Stevenson, K. J. (2015). Direct Evidence of a Chemical Conversion Mechanism of Atomic-Layer-Deposited TiO2 Anodes during Lithiation Using LiPF6 Salt. Journal of Physical Chemistry C, 119(51), 28285–28291. /10.1021/acs.jpcc.5b08298 PDC系列等离子清洗机 PDC系列等离子清洁机是台式电感耦合等离子设备，是表面清洁、表面处理和表面改性的***工具。等离子处理可应用于多种材料，包括金属、陶瓷、复合材料、塑料、聚合物和生物材料。主要应用领域包括材料科学、微流体、聚合物科学、生物医学材料和光学。 我们的等离子清洗机是专为实验室和研发用途而设计，体积小巧，桌面台式，坚固耐用。我们的仪器在全球范围内备受信赖，已被广泛用于各类研究和应用领域，被5000多篇技术文章和近200项***引用。
