Advanced Energy Materials: 厚电极电池:设计原则、机会、和挑战——进展综述

随着消费电子和电动汽车行业的快速发展,为了实现更长的待机时间和续航里程,人们不断追求着如何进一步提高电池能量密度的方法。通用的方法包括两类:(1)高比能量电化学体系的开发,和(2)先进电池结构的探索。随着高镍(Ni)正极、含硅(Si)负极以及高电压稳定窗口电解液的应用,商业化锂离子电池的能量密度有望在不久的将来升级至300~350 Wh kg-1;但要想进一步提升至500 Wh kg-1,需要下一代先进电化学体系和电池结构的共同突破。

最近,马里兰大学帕克分校胡良兵教授课题组综述了厚电极结构设计用于提升锂离子电池能量密度时所面临的问题和一些基本设计原则,并讨论了厚电极结构设计在处理新兴电化学体系中所面临的问题时带来的新思路和新方法,最后进一步总结讨论了厚电极结构电池所面临的挑战和未来的可能发展方向。

相比于新兴电化学体系基础研究突破所面临的严峻挑战,厚电极结构设计因为不需要改变既有电池的电化学基础,而是通过提升电化学活性物质在电池中所占比例的方法来提高电池能量密度,因而更加通用和易于施行。此外,厚电极研究过程中的新发现也能为解决新兴电化学体系(如锂金属电池,锂硫电池,锂空气电池,固态电池等)所面临的问题提供新见解和新思路。目前,厚电极结构设计中所面临的问题主要可以分为以下三类:(1)电荷传输距离增加导致的电化学反应动力学的恶化。针对这类问题主要的解决策略在于构建具有低曲折度的快速电荷转移传输通道,常见的方法包括微裂纹法、牺牲模板法、刻蚀法、3D打印等等。但值得的注意的是,上述方法在构建低曲折度孔隙结构的同时也会不可避免的导致无活性电极组分的增加,进而降低电极的能量密度。如何平衡好电荷传输动力学和电极能量密度之间的关系是低曲折度厚电极设计中所必须考虑的问题。(2)传统浆料涂覆工艺制备厚电极过程中由于干燥过程中电极内应力增大和不均匀分而造成电极结构的破坏以及从金属集流体表面的剥落。3D集成式电极结构设计是解决这类问题的常见策略,如利用高比表面积的1D碳纤维/碳纳米管、2D石墨烯、3D多孔导电支架作为厚电极的构筑材料。在增强电极电荷传输性能的同时,又能够赋予电极良好的机械稳定性甚至于柔性特性。(3)缺乏规模化和经济有效的厚电极制造工艺。尽管3D集成式厚电极设计能显著提升电池能量密度,但是这类电极的研究开发依然大多停留于实验室阶段。原料成本高昂,制备工艺复杂,难于规模化生产等问题,极大的阻碍了3D集成式厚电极在实际生活中的应用。学术界和工业界的有效沟通和共同参与,是厚电极电池实现商业化应用前所必须解决的关键问题。

相关论文以题为“Thick Electrode Batteries: Principles, Opportunities, and Challenges”发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201901457)上。