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中科院研究雙離子電池撒手锏—碳涂層多孔鋁負(fù)極材料


來(lái)源:鋰粉制備技術(shù)

[導(dǎo)讀]  近日,中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的Xuefeng Tong等人研發(fā)了一種基于涂炭鋁箔負(fù)極的雙離子電池,,該種雙離子電池功率密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋰離子電池,并且正負(fù)極材料均為低成本材料,對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)毒,并具有優(yōu)異的循環(huán)性能,,是一種十分有希望的下一代雙離子電池。

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  傳統(tǒng)的鋰離子電池工作原理是在充電的過(guò)程中Li+從正極脫出,,經(jīng)過(guò)電解液擴(kuò)散到負(fù)極,,并嵌入到負(fù)極的層狀結(jié)構(gòu)中。在放電的時(shí)候,,Li從負(fù)極脫出,,經(jīng)過(guò)電解液,重新嵌入到正極結(jié)構(gòu)之中,。在整個(gè)鋰離子電池工作的過(guò)程中實(shí)際上只有Li在正負(fù)極之間流動(dòng),,并攜帶電荷,因此這是一種單離子電池,。

石墨材料是目前常見(jiàn)的鋰離子電池負(fù)極材料,,它能允許陽(yáng)離子,例如Li+嵌入到其層狀結(jié)構(gòu)之中,,這也是目前鋰離子電池最重要的反應(yīng)原理之一,,但實(shí)際上早在1938年,Rüdorff 和 Hofmann兩人就報(bào)道發(fā)現(xiàn)了陰離子也能夠嵌入到石墨的層狀結(jié)構(gòu)之中,,但是由于電解液的限制,,這一技術(shù)一直沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中,直到1989年McCullough才首次報(bào)道了基于水系電解液和碳質(zhì)負(fù)極的雙離子電池,,從此以后雙離子電池吸引了廣泛的關(guān)注,。    

基于上述研究,人們提出了雙離子電池的模型,,既正負(fù)極均采用石墨材料,,其工作原理是充電時(shí),正極嵌入陰離子,,如PF6-,,而負(fù)極則嵌入陽(yáng)離子,Li+,,電解液中的鋰鹽LiPF6濃度隨著下降,,當(dāng)放電的時(shí)候,正負(fù)極分別脫出陰離子和陽(yáng)離子,,電解液中的鋰鹽LiPF6的濃度也隨之恢復(fù),。    

相關(guān)研究表明PF6−, ClO4−,BF4−和TFSI-都能夠嵌入到相應(yīng)的碳負(fù)極材料之中,而且陰離子嵌入到石墨材料中的電勢(shì)高達(dá)4.5V以上,,而陽(yáng)離子嵌入石墨負(fù)極的電勢(shì)不足1.0V,,因此兩者的結(jié)合可以顯著的提高石墨負(fù)極材料的電壓窗口范圍,,但是目前的有機(jī)電解液在較高的使用范圍下,無(wú)法穩(wěn)定工作,,導(dǎo)致雙離子電池的循環(huán)性能很差,,但是隨著近年來(lái)離子液體技術(shù)的發(fā)展,,為雙離子電池的應(yīng)用帶來(lái)了曙光,。  

近日,中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的Xuefeng Tong等人研發(fā)了一種基于涂炭鋁箔負(fù)極的雙離子電池,,其中鋁箔不僅作為集流體,,更是用作負(fù)極材料。  相比于石墨材料,,Al具有更高的理論比容量,,當(dāng)形成LiAl結(jié)構(gòu)時(shí),比容量可以達(dá)到993mAh/g,,形成Li9Al4材料時(shí),,比容量達(dá)到2235mAh/g,電壓平臺(tái)僅為0.19-0.45V vs Li+/Li,,相比于硅材料其具有更小的體積膨脹,,形成Li9Al4時(shí),體積膨脹僅為97%,,并且Al材料還具有良好的導(dǎo)電性,、易加工和低成本等優(yōu)勢(shì),但是Al負(fù)極目前仍然需要提高其循環(huán)壽命,。  

在該項(xiàng)研究中,,Xuefeng Tong等人采用了天然石墨作為正極材料,帶有碳涂層的多孔鋁箔作為負(fù)極,,電解液經(jīng)過(guò)特殊優(yōu)化,。其中多孔鋁箔中的孔結(jié)構(gòu),不僅能夠吸收循環(huán)過(guò)程中鋁箔的體積膨脹,,還能縮短鋰離子的擴(kuò)散距離,,碳涂層能抑制Al箔體積膨脹并減少電解液界面的副反應(yīng)。電解液添加了濃度達(dá)到4 mol/L的LiPF6,,以便提高電池的容量,,溶劑為EMC,并在電解液中添加5%的VC,,用于提高Al箔表面的SEI膜的穩(wěn)定性,。    

該電池表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能,在3.0-4.95V的電壓范圍內(nèi),,2C的倍率下循環(huán)1000次容量保持率達(dá)到89.4%,,其具有良好的倍率性能,,在3084W/kg的功率密度下,其比能量達(dá)到204Wh/kg,,這要約是商業(yè)鋰離子電池的兩倍(1000W/kg的功率密度下100Wh/kg),,在446W/kg的功率密度下,比能量為232Wh/kg,。

 碳涂布多孔鋁負(fù)極制備工藝較為簡(jiǎn)單,,首先將鋁箔采用電解的方法進(jìn)行腐蝕處理,然后在其表面包覆一層PAN材料,,經(jīng)過(guò)低溫固化和高溫碳化后,,即可在鋁箔的表明形成一層碳層,可以多次重復(fù)PAN處理過(guò)程提高碳的含量,,研究發(fā)現(xiàn),,一次碳包覆碳含量約為1.5%,兩次碳包覆碳含量約為2.8%,,三次碳包覆碳含量約為4%,。  

實(shí)驗(yàn)中碳包覆量過(guò)低或者過(guò)高對(duì)電池的倍率性能和循環(huán)性能都有不好的影響,兩次包覆碳含量在2.8%的Al箔材料表現(xiàn)出了最好的循環(huán)性能和倍率性能,。 

該種雙離子電池功率密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋰離子電池,,并且正負(fù)極材料均為低成本材料,對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)毒,,并具有優(yōu)異的循環(huán)性能,,是一種十分有希望的下一代雙離子電池。


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