3D打印磷酸铁锰锂电极在锂离子电池中实现超高倍率性能

Energy-panfeng可充电锂离子电池因其具备高的功率密度在能量存储方面扮演着重要角色。锂离子电池所面临的一个关键的挑战就是如何同时实现高倍率性能和容量,这对便携式电子设备,电动车以及可再生能源智能电网都有很大的影响。尽管超级电容器能够实现快速的充放电,但是与锂离子电池相比其容量太低同时成本太高。因此提高锂离子电池倍率性能和容量是现在研究的主要方向。

我们都知道现已产业化的磷酸铁锰锂(LiFePO4)有诸多的优势,但是其电压平台太低(3.4V),同晶体结构的磷酸锰锂(LiMnPO4)具有高的电压平台(4.1V),但是导电性太差,所以在磷酸锰锂里面参杂铁元素生成磷酸铁锰锂(LiMnxFe1-xPO4)具有重要的意义。3D打印技术在最近几年有快速的发展,因其能够快速成型低成本等特点被广泛应用,同时通过控制流速和压力能够打印出不同厚度和宽度的材料,且其均一性也很好。3D打印技术在锂离子微电池领域已经有很广泛的应用,本篇文章巧妙的实现了磷酸铁锰锂电池材料和3D打印技术的结合,并制备了3D-printing电极,在100C的条件下能够达到108 mAh g-1, 10C和20C的电流密度下循环1000次有150 和140 mAh g-1的容量保留。通过与传统涂布方式得到的极片进行对比,发现厚度对电池倍率性能产生很大的影响,然后对两种电池极片的充放电曲线进行大量的模拟,发现了除了厚度外影响电池倍率性能的其他因素,并进行了相关总结,设计高倍率锂离子电池我们要关注一下几个因素:体相扩散、颗粒界面反应、溶液本征扩散系数、有效孔隙率、电极厚度,而且要明确在不同的电流密度下影响倍率的决策步不同。

该工作是北京大学深圳研究生院新材料学院清洁能源材料研究中心博士生、博士后、硕士生和老师通过交叉学科协同创新取得的成果,其中2015级博士研究生胡江涛、2013级硕士蒋仪和崔岁寒是该工作的共同第一作者,潘锋教授是该工作的通信作者。上述成果近期发表在Advanced Energy Materials (10.1002/aenm.201600856)上。