Adv. Mater. 铝箔——既是LIBs负极也是集流体，引领新一代LIBs潮流

驽马一越纵横五洲 7年前 (2016-12-21) 4908浏览

【引言】

锂离子电池（LIBs)是最常见的电化学储能器件，最初的LIB结构仍沿用至今，包括正极材料（主要分为层状、橄榄石型和尖晶石型三种结构）、负极材料（主要为石墨）、隔膜、电解质以及正负极集流体。由于便携器件和交通工具的需求激增，现有锂离子电池能量密度（约120–170 W h kg⁻¹的范围内）难以满足需求，急需高能量密度、低成本的LIBs，在探索高可逆容量和宽电化学窗口LIBs道路上人们探索了不同纳米结构的电极材料，如复合、多孔和中空结构，由于能量负载有限难以取得重大突破。还有一些锂硫电池，锂空气电池表现出了高能两密度但技术不够成熟无法商业化。

【成果简介】

近日来自中国科学院深圳先进技术研究院的唐永炳研究员（通讯作者）课题组在Advance Materials上发表了一篇名为A Novel and Generalized Lithium-Ion-Battery Configuration utilizing Al Foil as Both Anode and Current Collector for Enhanced Energy Density文章，报道了一种采用铝箔制成的可装载在大部分LIB上的新型负极材料，他可以复合多种正极材料，如LiCoO₂、LiFePO₄、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂，一次简称为LCO–Al, LFP–Al, 和 NCM–Al 电池。与传统LIBs不同，他们的负极和集流体都是铝箔，并且表现出了更高的能量密度，如LCO–Al电池就比普通LCO-石墨电极能量密度高出了1.5倍。

【图文导读】

图1.两种锂离子电池充放电原理示意图

(a).石墨作为负极，LiCoO₂作为正极的普通LIBs充放电示意图

(b).使用铝箔负极，LiCoO₂正极的新型电池充放电示意图

图2.LCO–Al电池电化学性能测试图

(a).新型LCO–Al电池在0.2C条件下恒电流充放电曲线，插图是充满电后的LCO–Al电池点亮红色和黄色两盏串联LEDs灯泡的照片。

(b).LCO–Al电池修正后的dQ/dV微分曲线

(c).1-5C条件下LCO–Al电池修正后的比容量和库伦效率测试图

(d).LCO–Al电池在2C条件下循环250次的循环性能测试图

图3.充放电循环后形貌及结构表征测试图

(a).充放电循环之前铝箔负极的SEM照片，插图是普通光学照片和放大的SEM照片

(b).LCO–Al电池铝箔负极添加5 vol%VC，2C条件下循环150次的SEM照片，插图是普通光学照片和放大的SEM电子照片

(c,d).分别是LCO–Al电池循环之前和2C条件下循环150次（同样添加5 vol%VC）的铝箔负极断面SEM照片

(e).未循环的铝箔负极和循环150次铝负极的XRD测试图

图4.LFP–Al 电池电化学性能测试图

(a).1C条件下LFP–Al 电池恒流充放电测试图

(b).LFP–Al 电池校正后的dQ/dV微分曲线

(c).LFP–Al 电池0.5-10C范围内不同倍率下的比容量测试图

(d).LFP–Al 电池1C条件下循环500次的循环性能和库伦效率测试图

图5.NCM–Al电池的电化学性能测试图

(a).1C条件下NCM–Al电池恒流充放电测试图

(b).NCM–Al电池校正后的dQ/dV微分曲线

(c).NCM–Al电池1-10C范围内不同倍率下的比容量测试图

(d).NCM–Al电池1C条件下循环500次的循环性能测和库伦效率试图

图6.各种储能器件能量对比图

LCO–Al, LFP–Al和 NCM–Al电池与其他商业化锂离子电池能量比较图

【小结】

该课题组小组成员创造性的设计出负极、集流体于一身的新型锂离子电池，不仅简化制造工艺而且降低了锂离子电池的成本，更重要的是提高了能量密度。在储能机理上与传统锂离子电池有所不同，从正极传导过来的Li⁺在负极形成了AlLi合金，放电时合金分解释放Li⁺。当加入VC以防止SEI膜形成时，可以获得更长的循环寿命和更高的能量密度。当更进一步与LiNiO₂, LiMnO₂, LiMn₂O₄等正极材料搭档时，有望成为高能量密度低成本的新一代锂离子电池。