Een nieuwe flexibele full-cell lithium-ionbatterij op basis van elektrospun koolstofnanovezels via een eenvoudige plastic verpakking

Resultaten en discussie

De dwarsdoorsnedebeelden van LiCoO₂ /Al-film (kathode), CNF's/Cu-film (anode) en flexibele volledige cel worden getoond in Fig. 2. Afbeelding 2a geeft de strakke combinatie aan tussen LiCoO₂ en stroomafnemer via het rakelcoatingproces. Figuur 2b onthult een succesvolle coating van CNF's met een dikte van ongeveer 25 μm op het oppervlak van de Cu-stroomcollector. We hebben een volledig LIB-apparaat samengesteld op basis van de zoals voorbereide LiCoO₂ kathode en CNF-anode. Figuur 2c toont de dwarsdoorsnede van de sandwich-vormige architecturen ingekapseld in twee stukken PVC-folie. Een PVC-filmsubstraat, een anodestroomcollector (Cu), een koolstofanode (CNF's), een separator (Celgard 2300-film), een kathode (LiCoO₂ ), worden een kathodestroom (Al) en een PVC-filmsubstraat opeenvolgend in meerdere lagen gestapeld. De totale dikte van de volledige cel is ongeveer 500 m. In figuur 2d kan de geassembleerde volledige cel de LED continu laten branden wanneer deze als voeding wordt gebruikt, wat een veelbelovend vooruitzicht biedt voor toepassing in toekomstige flexibele elektronische apparaten.

De dwarsdoorsnede-afbeeldingen van a LiCoO₂ /Al film (kathode), b CNFs/Cu-film (anode) en c flexibele volledige cel, d foto van LED verlicht door de geassembleerde volledige LIB

Zoals weergegeven in Fig. 3a, onthult het XRD-patroon dat de kristalstructuur van LiCoO₂ komt goed overeen met een gelaagde structuur (JCPDS No. 44–145) [22]. De pieken die verschijnen bij 2 θ = 18,9°, 37,4°, 38,4°, 39°, 45,2°, 49,5°, 59,6°, 65,4°, 66,3° en 69,7° kunnen worden geïndexeerd op de hexagonale LiCoO₂ met de vlakken van (003), (101), (006), (012), (104), (105), (107), (108), (110) en (113), respectievelijk [23]. De SEM-waarneming (Fig. 3b) van LiCoO₂ vertoont een laminaatachtige structuur met een goede verdeling, samen met een gemiddelde deeltjesgrootte van 5 μm. De kant-en-klare LiCoO₂ /Al-film wordt getest als een kathode tegen lithium voor prestatiemeting van halfcellen bij een spanningsvenster van 3,2 tot 4,3 V. Afbeelding 3c toont de galvanostatische laad-ontlaadcurven van de LiCoO₂ elektrode gemeten bij een snelheid van 0,5 C. In de eerste cyclus ontlaad-/oplaadcapaciteiten van 153,5 mAh g ⁻¹ en 159,2 mAh g ⁻¹ worden verkregen, wat overeenkomt met een coulombefficiëntie van 96,4%. Het lange potentiaalplateau nabij 4 V kan worden toegeschreven aan de omkeerbare tweefasenreactie, wat een typische eigenschap is van de gelaagde LiCoO₂ fase [24, 25]. In de daaropvolgende cycli hebben de posities van de curven geen duidelijke verschuiving, wat een goede omkeerbaarheid impliceert. De fietsprestaties van LiCoO₂ kathode wordt getoond in Fig. 3d, die een omkeerbare capaciteit van 126,3 mAh g ⁻¹ vertoont na 100 cycli.

een XRD-patroon, b SEM-afbeelding, c laad-ontlaadcurven, en d fietsprestaties van LiCoO₂ kathode

XRD-patroon van de electrospun CNF's wordt getoond in figuur 4a. Twee pieken op 2θ =-23° en 42° kunnen worden geïndexeerd met respectievelijk de (002) en (100) koolstofvlakken [26, 27]. De zwakke en brede pieken duiden op de lage kristalliniteit van de verkregen CNF's, wat overeenkomt met de amorfe koolstofstructuur [28]. Om meer inzicht te krijgen in de morfologie van CNF's, wordt SEM-observatie gegeven in Fig. 4b, c. Het is duidelijk dat de CNF's een driedimensionale (3D) onderling verbonden vezelachtige nanostructuur vertonen door het elektrospinproces. De koolstof nanovezels zijn willekeurig goed verdeeld en de diameters variëren van 300 tot 400 nm.

een XRD-patroon, b , c SEM-afbeeldingen, d laad-ontlaadcurven, en e fietsprestaties van CNF's anode en f Nyquist plot op de OCP en het equivalente circuit voor elektrospun CNF-elektroden voor en na ontlaad-/oplaadcycli

Om de elektrochemische prestatie van de CNF-anode te onderzoeken, werden galvanostatische ladings-ontladingstests uitgevoerd tussen 0,01 en 3 V bij een stroomdichtheid van 100 mA g ⁻¹ zoals weergegeven in Fig. 4d. De CNF-anode heeft initiële ontladings-/oplaadcapaciteiten van 836 en 576,7 mAh g ⁻¹ , respectievelijk. De waarde is hoger dan de theoretische capaciteit (372 mAh g ⁻¹ ) van grafietkoolstof. Dit fenomeen komt veel voor in de niet-grafietachtige koolstofhoudende materialen die worden gesynthetiseerd bij lage temperaturen (500-1000 ° C) [29]. Dit kan worden beschreven aan de vorming van Li_x C₆ (waar x is ongeveer 1,2–3,0) tijdens het intercalatieproces, in plaats van LiC₆ in grafietkool [30, 31]. Er is een plateau in de buurt van 0,7 V in de eerste ontladingscurven, maar het verdwijnt in de volgende cycli. Dit is de belangrijkste reden voor de aanvankelijke onomkeerbare capaciteit van 259,3 mAh g ⁻¹ , die wordt veroorzaakt door de vorming van vaste elektrolytinterface (SEI) en corrosieachtige reactie van Li_x C₆ [32]. Vanaf de tweede cyclus is duidelijk te zien dat de belangrijkste bijdrage aan de omkeerbare capaciteit onder de 0,4 V plaatsvindt.

De cyclusprestaties van CNF-anode bij een stroomdichtheid van 100 mA g ⁻¹ wordt getoond in Fig. 4e. De CNF's hebben een omkeerbare capaciteit van 412 mAh g ⁻¹ na 100 cycli, wat hoger is dan de commerciële MCMB-anodematerialen onder dezelfde experimentele omstandigheden. Met uitzondering van de eerste cyclus wordt een hoge coulombefficiëntie van bijna 100% bereikt. De belangrijkste reden voor de gewijzigde cyclische stabiliteit en omkeerbare capaciteit zijn de onderling verbonden 3D-netwerken van de elektrospun koolstof nanovezels. Een dergelijk raamwerk biedt voldoende ruimte voor de lithiumintercalatie / de-intercalatiereacties, en vergemakkelijkt de diffusie van lithiumionen en elektrolyt. Bovendien is de vezelachtige koolstof met goede structurele stabiliteit en elektrische geleidbaarheid ook gunstig voor de verbeterde cyclische omkeerbaarheid.

Elektrochemische impedantiespectra (EIS) meting werd uitgevoerd voor en na laad-/ontlaadcycli om de kinetische kenmerken van de CNF-anode aan te tonen. In figuur 4f bevatten de Nyquist-grafieken van beide anoden één halve cirkel in het hoogfrequente gebied en een schuine lijn in het laagfrequente gebied [33, 34]. De onderschepping op de Z _echt as kan worden toegewezen aan de elektrolytweerstand (R _s ), terwijl de halve cirkel wordt toegeschreven aan elektronenoverdrachtsweerstand (R _ct ). De hellingslijn komt overeen met Warburg (R _w ) over Li ⁺ diffusie in de vaste stoffen [35, 36]. De R _ct van CNF-anode is 237,4 Ω voor de verse cel. Na 100 cycli te hebben gefietst, wordt de waarde van R _ct daalt tot 108,2 Ω, wat wijst op een hogere elektrochemische reactiviteit. De verbetering van de kinetiek van de CNF-anode kan worden toegeschreven aan activering van de anode na de laad-/ontlaadprocessen.