近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)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(tuán)隊(duì)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。
    唐永炳介紹道，這種新型結(jié)構(gòu)有效解決了廉價(jià)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(jì)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)用已在線發(fā)表于材料科學(xué)頂級期刊Advanced Materials上。
    隨著便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)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(shí)密度較低，限制了鋰離子電池能量密度的進(jìn)一步提升。
    據(jù)悉，通過與鋰離子的合金化/去合金化反應(yīng)，廉價(jià)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(dá)2234 mAh g-1 （Li9Al4），且儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉。”唐永炳說，“然而，鋁負(fù)極在電池反應(yīng)過程中會(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。”
    基于上述考慮，唐永炳及其團(tuán)隊(duì)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(shí)對其進(jìn)行活性材料與集流體的一體化設(shè)計(jì)，并將其成功應(yīng)用于新型高效、低成本雙離子二次電池。
    唐永炳說：“我們采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改造后的鋁箔同時(shí)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(chǔ)能電池具有更高的工作電壓（平均放電電壓為~4.2 V），同時(shí)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(jì)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(shí)充放電速率下（2C）循環(huán)1500圈，容量保持率高達(dá)99%；另外，即使在功率密度高達(dá)2113 Wkg-1時(shí)，該電池的能量密度仍有169 Wh kg-1（10C，充放電時(shí)間為6 分鐘），遠(yuǎn)高于大多數(shù)商用的鋰離子電池。
    唐永炳指出：“我們的研究成果對廉價(jià)金屬負(fù)極材料的開發(fā)具有指導(dǎo)意義，有望促進(jìn)基于廉價(jià)金屬負(fù)極的高能量、低成本二次電池的發(fā)展。”
    （丁寧寧 沈春蕾）