负极/集流体一体化设计铝箔,引领高效、低成本锂电新技术

随着科学技术的发展,锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备、移动工具电源等领域,其市场规模得到了迅猛扩张。尤其是电动汽车、大型储能设施的需求提高,对于发展高能量密度、低成本、长循环寿命的新型二次电池越加迫切。锂离子电池自1991年由索尼公司商业化以来,已有25年的发展,其工作原理是依靠锂离子在正极与石墨负极之间来回移动(嵌入和脱嵌)来实现电池的充放电过程。然而目前商用锂离子电池仍存在能量密度低、制造成本高、资金投入大等问题,制约了电池产业的发展。

近日,中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员及其团队成功研发出了一种具有普适性的新型高效、低成本铝基锂离子电池,有望打破现有锂电产业格局。有别于现有传统锂离子电池结构,该电池构造为:直接采用传统铝箔同时作为电池负极和集流体,替代了传统锂离子电池的石墨负极和铜箔负极集流体;正极材料采用已商用的钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料等;电解液为碳酸酯类溶剂。该新型电池具有全新的工作机理:充电时,锂离子从正极材料中脱嵌出来,运动到铝箔负极表面,并与铝形成铝锂合金;放电时,锂离子从铝锂合金中脱出,又嵌入到正极材料中。

AM-tangyongbing

这种新型锂电构造不仅可以大幅降低电池自重和体积,显著提高质量和体积能量密度,而且大大降低了生产制造成本,并具有良好的普适性。前期研究结果表明,采用钴酸锂为正极、铝箔为负极的全电池(LCO-Al)能量密度可达到263 Wh/kg,充放电循环250次后电池容量保持在81%;以磷酸铁锂为正极、铝箔为负极的全电池(LFP-Al)能量密度达到163 Wh/kg,充放电循环500次后电池容量保持在84%;以镍钴锰酸锂三元材料为正极、铝箔为负极的全电池(NCM-Al)能量密度达到258 Wh/kg,充放电循环250次后电池容量保持86%。目前该电池技术还有待优化,比如需要进一步提高电池的循环稳定性等。该技术一旦成熟,将有望改变现有锂离子电池产业格局,显示出巨大的产业化应用前景。本工作已在线发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201604219)上。