深圳先進(jìn)院研發(fā)出多功能型的高效電池電極材料

　　近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了一種具有集流體、負(fù)極活性材料、隔膜三重功能的一體化電極，并成功應(yīng)用于高效、低成本的雙離子電池。這種新型結(jié)構(gòu)有效解決了金屬負(fù)極材料在充放電過(guò)程中的體積變化劇烈、循環(huán)性能較差的問(wèn)題，并有利于簡(jiǎn)化電池生產(chǎn)工藝，增加電池能量密度。相關(guān)研究成果Multifunctional Electrode Design Consisting of 3D Porous Separator Modulated with Patterned Anode for High-Performance Dual-Ion Batteries（《一種包含有三維多孔隔膜和金屬負(fù)極的多功能電極設(shè)計(jì)及其在高效雙離子電池中的應(yīng)用》）已在線發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials，DOI: 10.1002/adfm.201703035）上。

　　隨著便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)交通工具市場(chǎng)的快速發(fā)展，人們對(duì)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?jī)H為372 mAh g-1，且壓實(shí)密度較低，限制了鋰離子電池能量密度的進(jìn)一步提升。通過(guò)與鋰離子的合金化/去合金化反應(yīng)，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。以金屬鋁為例，其理論比容量高達(dá)2234 mAh g-1（Li9Al4），且儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉。然而，鋁負(fù)極在電池反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的體積膨脹，從而影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性。為了改善這一現(xiàn)狀，研究工作者對(duì)金屬負(fù)極采取了納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合金構(gòu)建、復(fù)合材料構(gòu)建等多種修飾方法。然而，基于電池結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)策略還鮮有報(bào)道。

　　基于上述考慮，唐永炳及其團(tuán)隊(duì)成員張松全、王蒙、周志明等成功研發(fā)出了一種具有集流體、負(fù)極活性材料、隔膜三重功能的多功能電極，并將其應(yīng)用于新型高效、低成本的雙離子電池。該電極包含三維多孔聚合物層與具有圖案的金屬鋁箔層兩大組成部分，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使一體化電極獲得優(yōu)秀的吸液、保液能力，并可有效緩解金屬負(fù)極在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的體積變化及開(kāi)裂粉化問(wèn)題。此外，多功能電極設(shè)計(jì)還有效提升了負(fù)極活性材料占比，簡(jiǎn)化了電池制造工序，降低了制造成本。基于多功能電極材料的雙離子電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：如高工作電壓（平均放電電壓可達(dá)4.2 V），長(zhǎng)循環(huán)性能（1000 次循環(huán)，容量保持率為92.4%），高能量密度（在10 C充放電速率下能量密度高達(dá)158 Wh kg-1）。該研究成果對(duì)高容量、低成本金屬負(fù)極的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義，有望促進(jìn)基于金屬負(fù)極的二次鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

　　論文鏈接

　　(a) 多功能電極的合成過(guò)程示意圖；(b)雙離子軟包電池點(diǎn)亮兩個(gè)黃色LED燈；(c) 所制備雙離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試