用于锂离子电池的多级结构微米球

as以锂离子电池为代表的储能系统不仅需要材料具有高的理论容量,还要求材料具有合理的结构。无论是已经实用化的插层化合物体系还是下一代转化化学活性材料系统,都需要精准调控其孔道结构。只有这样才能有效权衡锂离子电池器件的能量密度和功率密度,满足器件对化学电源的要求。例如电动汽车所需的锂离子电池就要求具有较好的倍率性能,以望实现加速动力及续航里程指标的权衡。为了实现这个目标,就需要在电池材料中的一个能源颗粒上构筑大孔/介孔/微孔复合的球型材料。其中,大孔能够储存电解液及离子源,介孔贡献扩散的有效通道,微孔提供足够的电解液/活性物质接触面积。在这样一个大孔/介孔/微孔互联通的多级结构颗粒中,电解液中锂离子的扩散距离大幅缩短,电池的倍率性能能够得到有效提升。

近期,苏黎世联邦理工学院Wood教授课题组采用实验验证与理论计算相结合的研究方法探索喷雾干燥制造锂离子电池用的多级结构微米球的新方法,该工作发表在2015年出版的《尖端科学》(Advanced Science, 2015, 2, 1500078)上

该工作采用120nm锂钛氧纳米粉体作为活性材料,800nm的聚苯乙烯球作为硬模板,约22μm长碳纤维作为大孔造孔剂,纤维素作为粘结剂,水作为溶剂,配置成浓度为6wt%的浆料。然后在200oC温度下,采用40L/h的空气雾化,将浆料通过直径为0.7mm的喷嘴。喷雾的雾滴在喷雾干燥机里形核干燥,形成球型颗粒,并通过喷雾干燥旋风系统捕集。然后将所得微米颗粒在750oC下煅烧,得到具有多级结构孔道的锂钛氧微米球。当浆料粘结剂含量为5wt%时,其所得多级结构锂钛氧微米球的平均直径为19.1μmDv10直径为5.2μmDv50直径为17.2μmDv90直径为35.4μm,标准差为11.9μm,比表面积为6.9m2g-1。该多级结构锂钛氧颗粒在0.1C时的放电容量为175 mAhg-1,接近其理论值。当电流增加到10C时,其容量仍为150 mAhg-1,远高于不含有造孔剂的锂钛氧微米球的容量(仅为100 mAhg-1)。通过对单个微米颗粒进行数值模拟,考察不同锂化程度下锂的元素分布,可以看到具有多级结构孔道结构的微米球体现出均匀插层反应的特性,而实心球体现出显著的锂化不均匀现象。

该研究提供了一种通用规模制备高倍率锂离子电池用微米球形活性材料的喷雾干燥制成型方法。这种新型成型方法具有实用化制备的潜力,并可以通过调控造孔剂、粘结剂的组成及作用关系进而精确调控多级结构孔的孔道关系,从而能够实现特种需求微米球的精准加工。该工作的计算与实验相结合的思路也为研究能源颗粒提供了新的范式,彰显出颗粒结构设计对于材料功能体现的重要价值。

张 强 About 张 强

张强,清华大学化学工程系副教授、博士生导师。国家万人计划青年拔尖人才获得者(2015)、国家优秀青年基金获得者(2014)。主要从事碳材料、电催化与电池的研究。更多信息请访问:http://scholar.google.com/citations?user=qkcc0OYAAAAJ&hl=en