深圳先進院研發(fā)出高性能中空界面微結(jié)構(gòu)新型鋁負(fù)極材料

　　近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團隊成功研發(fā)出一種具有中空界面結(jié)構(gòu)的金屬鋁箔負(fù)極材料，并應(yīng)用于高效、低成本雙離子電池。這種新型結(jié)構(gòu)有效解決了廉價金屬負(fù)極材料在充放電過程中的體積膨脹、循環(huán)性能差的問題。相關(guān)研究成果《泡沫紙狀界面設(shè)計形成的超穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)層及其在高效雙離子電池中的應(yīng)用》（Bubble-sheet-like Interface Design with an Ultrastable Solid Electrolyte Layer for High-Performance Dual-Ion Batteries）已在線發(fā)表于《先進材料》（DOI: 10.1002/adma.201606805，IF=18.96）上。

　　隨著便攜式電子設(shè)備和電動汽車市場規(guī)模的快速發(fā)展，人們對于高能量密度、低成本二次電池的需求日益迫切。目前，商用鋰離子電池多采用石墨類負(fù)極材料，其理論比容量僅為372 mAh g-1，且壓實密度較低，限制了鋰離子電池能量密度的進一步提升。通過與鋰離子的合金化/去合金化反應(yīng)，廉價金屬負(fù)極通常具有更大的比容量，有望獲得更高的能量密度。其中鋁的理論比容量高達2234 mAh g-1 （Li9Al4）, 且儲量豐富，價格低廉。然而，鋁負(fù)極在電池反應(yīng)過程中會產(chǎn)生一定的體積膨脹，從而影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

　　基于上述考慮，唐永炳及其團隊成員秦盼盼、王蒙、李娜等人成功研發(fā)出一種具有中空界面微結(jié)構(gòu)的金屬鋁箔材料，同時對其進行活性材料與集流體的一體化設(shè)計，并將其成功應(yīng)用于新型高效、低成本雙離子二次電池。采用結(jié)構(gòu)設(shè)計、改造后的鋁箔同時作為負(fù)極活性材料和集流體，膨脹石墨為正極，并采用常規(guī)電解液。相對于傳統(tǒng)鋰離子電池，該新型二次儲能電池具有更高的工作電壓（平均放電電壓為~4.2V），同時顯著提升了活性材料占比和能量密度，并大幅降低了制造成本，且環(huán)境友好。此外，中空微結(jié)構(gòu)的界面設(shè)計使鋰-鋁合金的發(fā)生區(qū)域，成功限制在中空界面中，從而有效緩解鋁負(fù)極在合金化過程中產(chǎn)生的體積膨脹，獲得了高度穩(wěn)定的SEI膜。研究結(jié)果表明，該新型電池在半小時充放電速率下（2C）循環(huán)1500圈，容量保持率高達99%；此外，即使在功率密度高達2113 W kg−1時，該電池的能量密度仍有169 Wh kg−1（10C，充放電時間為6min），遠高于大多數(shù)商用的鋰離子電池。該研究成果對廉價金屬負(fù)極材料的開發(fā)具有指導(dǎo)意義，有望促進基于廉價金屬負(fù)極的高能量、低成本二次電池的發(fā)展。

　　(a) 中空界面微結(jié)構(gòu)鋁負(fù)極材料的設(shè)計、制備示意圖；(b) 兩塊雙離子電池點亮SIAT；(c) 所制備雙離子電池的長循環(huán)穩(wěn)定性測試。