中空微结构设计提高基于铝负极二次电池的综合性能

随着便携式电子设备和电动汽车市场规模的快速发展,人们对于高能量密度、低成本二次电池的需求日益迫切。目前,商用锂离子电池多采用石墨类负极材料,其理论比容量仅为372 mAh g-1,且压实密度较低,限制了锂离子电池能量密度的进一步提升。通过与锂离子的合金化/去合金化反应,金属负极通常可以获得更大的比容量,有望获得更高的能量密度。例如,铝可以和锂形成Li9Al4、及LiAl合金,理论比容量分别为2234 mAh g-1和993 mAh g-1, 且铝的储量丰富,价格低廉。然而,铝负极在电池反应过程中会产生一定的体积膨胀,从而影响电池的循环稳定性。

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近期,中国科学院深圳先进技术研究院的唐永炳研究员及其团队设计制备了一种具有中空界面微结构的金属铝箔材料,同时对其进行了活性材料与集流体的一体化设计,并将其成功应用于新型高效、低成本双离子二次电池。这一电池以经过中空界面设计的铝箔同时为负极活性材料和集流体,膨胀石墨为正极,溶有LiPF6的有机溶液为电解液。相对于传统锂离子电池,该新型二次储能电池具有更高的工作电压(平均放电电压为~4.2 V),同时由于使用了负极活性材料和集流体的一体化设计,显著提升了活性材料占比和能量密度,并大幅降低了制造成本,且环境友好。此外,中空微结构的界面设计可以成功使锂-铝合金的发生区域限制在中空界面结构中,从而有效缓解铝负极在合金化过程中产生的体积膨胀,获得了高度稳定的界面结构。研究结果表明,该新型电池在半小时充放电速率下(2C)循环1500圈,容量保持率高达99%;此外,即使在功率密度高达2113 W kg−1下循环时,该电池的能量密度仍有169 Wh kg−1(10 C,充放电时间为6 min),远高于目前多数的商用锂离子电池。

该研究成果对高容量金属负极材料的开发提供了新的思路,有望促进基于廉价金属负极的高能量密度、低成本二次电池的发展。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201770113)上,并于当期Inside Front Cover做简要介绍。