原位聚合直接集成固態(tài)鋰電池介紹

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和人們生活質(zhì)量的提高，鋰電池在電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用迅速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)鋰電池使用揮發(fā)性和易燃性的液態(tài)電解質(zhì)使其安全問(wèn)題頻發(fā)，固態(tài)電解質(zhì)（SSEs）的使用可顯著提升電池安全問(wèn)題。近年來(lái)SSEs研究取得較大進(jìn)展，然而由于組成電極的多相接觸使其內(nèi)部固-固相間接觸不良，導(dǎo)致電池能量密度、倍率性能及循環(huán)性能提升受限。

此外，傳統(tǒng)電極中還需要添加導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，如果電極中的粘結(jié)劑將活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑隔離，則電子傳輸受阻，電池充電/放電性能惡化。

近日，江西理工大學(xué)劉先斌、吳子平和華中科技大學(xué)夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)1, 3-二氧戊環(huán)（DOL）的簡(jiǎn)單原位聚合，利用構(gòu)建以碳納米管（CNTs）網(wǎng)絡(luò)固定活性物質(zhì)電子導(dǎo)電框架，實(shí)現(xiàn)了具有互連電子和離子導(dǎo)電通道的高性能固態(tài)鋰電池。



圖1. 集成鋰電池流程和SSE聚合機(jī)理。

通過(guò)SSEs直接集成鋰電池如圖1所示。通過(guò)將正極、隔膜和負(fù)極用SSE緊密結(jié)合在一起。CNTs網(wǎng)絡(luò)作為粘合劑、導(dǎo)電劑和集流體固定活性物質(zhì)，活性物質(zhì)載量在電極中可達(dá)30 mg cm-2。

由于CNTs固定的活性物質(zhì)和SSE前驅(qū)體間良好潤(rùn)濕性，具有低粘度的液態(tài)前驅(qū)體迅速滲透到電極中，在SSE聚合后，整個(gè)電極內(nèi)物質(zhì)被直接固定集成，可實(shí)現(xiàn)電子/離子在連續(xù)致密的界面上傳輸。



圖2. 復(fù)合集成電極的內(nèi)部形態(tài)及電子離子傳輸性能

極內(nèi)活性顆粒被CNTs三維網(wǎng)絡(luò)緊緊裹住，SSE包覆在CNTs網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)外，形成了CNTs和SSE雙包覆結(jié)構(gòu)（圖2）。因此，電子可通過(guò)CNTs的連接在活性物質(zhì)間快速轉(zhuǎn)移，離子可從致密的SSE骨架傳遞到活性物質(zhì)表面。導(dǎo)電原子力顯微鏡（CAFM）對(duì)電極電導(dǎo)率進(jìn)行了評(píng)估，集成后電極中顆粒相互連接，呈現(xiàn)出4.5 Ω sq-1的方塊電阻，電極的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)高于10-11cm-2s-1，從而顯示出較好的電子和離子傳輸效果。



圖3. 鋰箔為負(fù)極時(shí)集成電池的性能

通過(guò)該法以鋰箔為負(fù)極組裝的電池具有穩(wěn)定循環(huán)性能，庫(kù)倫效率達(dá)99.8%，具有2.3 mAh cm-2的面容量和242 Wh Kg-1的能量密度。獲得的電池具有穩(wěn)定的極化電壓和低電荷傳輸阻抗，因而在10 C倍率下依然有99.6 mAh g-1的放電比容量，復(fù)合電極在負(fù)載19.4 mg cm-2磷酸鐵鋰（LFP）時(shí)能保持很好的安全性能，即使在電池裁剪或針刺后依然能穩(wěn)定工作。



圖4. 復(fù)合集成電極組成和結(jié)構(gòu)模擬分析

為了理清電池優(yōu)異電化學(xué)行為的原因，作者通過(guò)對(duì)集成的電極進(jìn)行了微米級(jí)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（micro-CT）。結(jié)果表明，電極中CNTs、LFP和PDL體積分?jǐn)?shù)分別為26.9 %、39.7 %和30.3 %，集成電極中的孔隙率僅為3.1 %，說(shuō)明大多數(shù)孔隙和空隙被SSEs占據(jù)。通過(guò)COMSOL Multiphysics基于重建的三維圖像也說(shuō)明了其快速的電子和離子傳輸能力。

此外，作者還計(jì)算了DOL和三氟甲磺酸鋁在CNTs和LFP吸附下發(fā)生聚合反應(yīng)的能量變化。結(jié)果表明，有效的電子和離子傳輸是可能的，集成電極具有優(yōu)異的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

綜上，該團(tuán)隊(duì)提出的構(gòu)建具有互連導(dǎo)電界面的直接集成固態(tài)電池，可使CNTs、SSEs和活性物質(zhì)間實(shí)現(xiàn)致密接觸，減少電極內(nèi)部復(fù)雜界面，提高電子和離子轉(zhuǎn)移的效率。因此，獲得了高能量密度、高倍率性能和長(zhǎng)壽命且安全的鋰電池，該工作為提高固態(tài)電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)提供了一種新策略。





審核編輯：劉清