电子设备图
张应变如何导致薄膜开裂的示意图。(资料来源:华威大学WMG)

华威大学的研究人员发现,某些可穿戴电子设备中使用的电极内部的不对称应力,为如何提高圆柱形电池的耐久性和寿命提供了重要线索。

用于医疗应用和可穿戴设备的电池继续呈大小和形状,具有锂离子技术的小型化越来越受欢迎。然而,随着电池的尺寸收缩,复合电极的制造过程和液体电解质的使用是使用常规方法进行微生物的处理挑战。

钴氧化物LiCoO2(LCO)由于其高压平台和能量密度,仍然为这些小型格式的阴极材料的常见选择。然而,虽然有初始报告的性能效益,但是已知LCO细胞由于高表面层电阻和电荷转移性的增长而具有大的阻抗问题。这可能会影响电池充电和放电的有效程度。在使用元素钴周围也存在伦理和健康的考虑。由于电极与电解质之间的反应,因此认为增加阻抗是由于阳极(固体电解质界面,SEI)和阴极(阴极电解质界面,CEI)上的表面层的生长。

然而,研究人员发现,阴极和阳极的状态在500次循环后变化很大,这与它位于集电极的哪一侧有关。向内的阴极(受压)卷成胶卷时,出现明显的铝箔涂层分层迹象。然而,在向外的阴极一侧(在张力下),只有部分分层是明显的,涂层转移到分离器上。相反,阳极涂层的两侧出现了严重的分层现象。向内的阳极侧(受压)显示几乎没有涂层仍然粘附到铜箔,相比于向外的阳极侧(张力)。同样,在操作过程中,分层涂层也会附着在分离器上。

“有趣的是,对于阴极和阳极来说,电极涂层一侧的分层更严重,这可能会受到压缩应力,而不是拉伸应变。这可以通过考虑双面涂层电极两侧的不对称力来解释,”Mel Loveridge博士说。

研究小组还进行了电化学测试、x射线光电子能谱(XPS)、x射线计算机断层扫描(XCT)、扫描电子显微镜(SEM)等,以揭示电池的结构特征和变化。他们发现,在连续充电和放电500次后,电池容量仍能保持82%,之后由于电池组件上施加的高弯曲应力,它显示出严重的分层。然而,如果涂层在胶辊中以良好的电接触被充分压缩,这似乎对电化学性能的影响最小。老化后,表面层继续生长,在阴极和阳极上发现了更多的LiF。

他们的研究在电池制造领域开辟了令人兴奋的领域,以解决圆柱形电池(尤其是小型化电池)的缠绕问题。例如,强调需要了解在缠绕的圆柱形细胞双面涂层的每一侧改变涂层性能是否有好处,以提高施加在其上的不对称应力涂层的机械回弹性。

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