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【成果簡介】

近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(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隊成功研發(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、低成本的雙離子充電機充電蓄電池。這種新型結(jié)構(gòu)有效解決了金屬負(fù)極材料在充電機充電電池充放電過程中的體積變化劇烈、循環(huán)性能較差的問題，并有利于簡化充電機充電蓄電池生產(chǎn)工藝，增加充電機充電蓄電池能量密度。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已在線發(fā)表于Advanced Functional Materials上。

【圖文導(dǎo)讀】

多功能電極的合成過程示意圖

所制備雙離子充電機充電蓄電池的電化學(xué)性能表征

a）2℃下的恒電流充電機充電電池充放電曲線（插圖顯示雙離子軟包充電機充電蓄電池點亮兩個黃色LED燈）

b）所制備雙離子充電機充電蓄電池相應(yīng)dQ / dV微分曲線

c）分別在1,2,3,4,5和10℃的充電機充電電池充放電曲線

d）與使用常規(guī)PP和PP / PE / PP分離器的DIBs相比，所制備雙離子充電機充電蓄電池的的倍率特性

e）所制備雙離子充電機充電蓄電池的循環(huán)穩(wěn)定性測試

【研究內(nèi)容】

隨著便攜式電子設(shè)備和電動交通工具市場的快速發(fā)展，人們對于高能量密度、低成本二次充電機充電蓄電池的需求日益迫切。目前，商用鋰離子充電機充電蓄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，限制了鋰離子充電機充電蓄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)，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2234 mAh g-1（Li9Al4），且儲量豐富，價格低廉。然而，鋁負(fù)極在充電機充電蓄電池反應(yīng)過程中會產(chǎn)生一定的體積膨脹，從而影響充電機充電蓄電池的循環(huán)穩(wěn)定性。為了改善這一現(xiàn)狀，研究工作者對金屬負(fù)極采取了納米結(jié)構(gòu)設(shè)計、合金構(gòu)建、復(fù)合材料構(gòu)建等多種修飾方法。然而，基于充電機充電蓄電池結(jié)構(gòu)方面的改進策略還鮮有報道。

基于上述考慮，唐永炳及其團隊成員張松全、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、低成本的雙離子充電機充電蓄電池。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)過程中的體積變化及開裂粉化問題。此外，多功能電極設(shè)計還有效提升了負(fù)極活性材料占比，簡化了充電機充電蓄電池制造工序，降低了制造成本?；诙喙δ茈姌O材料的雙離子充電機充電蓄電池展現(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4.2 V），長循環(huán)性能（1000次循環(huán)，容量保持率為92.4%），高能量密度（在10 C充電機充電電池充放電速率下能量密度高達158 Wh kg-1）。該研究成果對高容量、低成本金屬負(fù)極的開發(fā)具有指導(dǎo)意義，有望促進基于金屬負(fù)極的二次鋰離子充電機充電蓄電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。