新型三维电极设计可望实现锂离子电池的超快速充放电

        电化学存储技术在我们的日常生活中扮演着非常重要的角色。在过去的二十几年中,锂离子电池因其能量密度高,质量轻,环境友好等优点被成功地广泛应用到移动式电子产品中。近几年,锂离子电池的应用开始被拓展到电动汽车/混合动力汽车等一些快速充放电的新兴领域,而实现这一应用拓展的关键是新型电极材料及电池制备技术的开发。传统的锂离子电池电极的制备过程大体可分为合成电化学活性粉体(即电极材料),制浆,涂布。其中,电极浆料被涂附在金属箔上以达到较好的电流收集效果。然而,传统的金属箔集流体在电极中占的比重很大,大大降低了电极整体的容量贡献,减小了器件的能量密度;更为重要的,传统的金属箔集流体只能进行二维平面式的电流收集,很大程度上限制了电极的快速充放电能力。

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         南京工业大学邵宗平教授团队与美国佐治亚理工学院刘美林教授合作开发了一种新型的电极设计,利用商业化滤纸碳化后得到的轻便碳纸作为三维集流体替代传统的厚重金属箔集流体。该团队以具有快速充放电能力的钛酸锂负极材料为例,采用简易液相法原位将其生长到三维碳纸集流体上,在制备电化学活性粉体的同时制备得到了完整电极,较大程度地简化了电极制备过程。更为重要地是这种新型的电极设计可望使电池的充电时间从几个小时缩短到几分钟甚至几十秒内完成。

        普通的商业化滤纸是由微米/纳米级纤维素纤维构成的多孔膜,该团队首先通过高温碳化将其转化为碳纤维组成的三维网络集流体,然后通过简易液相方法在此三维碳纸集流体上原位生长填充大量的电化学活性组份——近20 nm大小的钛酸锂纳米晶,制备得到三维复合电极表现出非常优异的电化学性能。此三维复合电极在充电/放电时间为近21秒时(倍率为100 C,电流密度17500 mA g-1),容量可达到理论容量的近60%。且此电极在50 C的高倍率下循环1000圈性能基本不衰减。而采用同样的电化学活性粉体,使用传统的制浆涂覆工艺及金属箔集流体制备得到的电极在30 C倍率下,容量只有理论容量的6%。另外,该团队还进一步使用具有更小直径的纤维素基商业化滤纸碳化作为三维集流体来提升电化学活性组份的担载量,从而提高整体电极(包括活性组份,添加剂,集流体)的容量。

          这种新型的三维电极设计无需使用传统的电极粘合剂,降低了集流体质量,简化了电极制备工艺,大幅度提升了电极的快速充放电能力。该设计概念不仅可以作为一种普适的方法来改善其它电池电极的性能,而且有望促进锂离子电池在快速充放电领域特别是动力汽车上的广泛使用。相关论文发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201500924)