Advanced Energy Materials:高效的离子、电子导通网络助力高面载量锂电池

随着新能源汽车、大规模储能装置、小型移动电子设备等对锂离子电池能量/功率密度日益增加的需求,如何降低电极结构中的非活性物质成分,并提升电极的面载量和面容量引起了科研工作者的研究兴趣。提高电极厚度和电极载量会增加电极结构中的离子、电子传导的难度,进而抑制电池性能的发挥。近日,北京大学新材料学院潘锋教授联合北京航空航天大学交通科学与工程学院杨世春教授、刘新华助理教授等使用对环境友好的生物胶(黄原胶和魔芋胶)并结合冷冻干燥技术,制备了具有高面载量的导向电极结构。

图1 导向结构电极以及粘接剂微观作用。

黄原胶和魔芋胶发生相互交联,形成稳固的具有导向结构的墙壁来支撑正极材料;同时还能与碳纳米管发生极性相互作用,将碳纳米管进行均匀的分散;分散在正极颗粒表面以及粘结剂墙壁中的碳纳米管构成了高效的电子导通网络,而导向结构则有助于电解液在电极中的渗透以及电极/电解液界面的离子交换。相比于传统的涂布方法制造的电极,本文中制备的导向结构电极显著降低了电极结构中的曲折度,并能够大幅度地提升电极的面载量。当面载量为50 mg cm-2左右时,电极可以在0.5 C的电流密度下进行稳定循环;此外发生交联的粘结剂提供了良好的机械支撑,使得电极载量可以增加到超过200 mg cm-2。本文中所设计的电极结构还具有普适性,能够应用到不同的正负极材料中(包括三元正极材料、富锂正极材料、石墨负极材料、硅碳负极材料等),在宽泛的电化学窗口下均能保持良好的电化学性能。

作者简介

潘锋,北京大学教授,北京大学深圳研究生院副院长、北京大学新材料学院创院院长。课题组致力于材料基因与大数据系统研发、结构化学新范式探索、基于中子大科学装置的材料和器件综合表征系统建设与应用、新能源材料与器件研究和应用、界面结构与特殊界面涂层材料及装备研发和应用。

杨世春,北京航空航天大学交通科学与工程学院教授、博士生导师、院长,入选国家万人计划领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、全国优秀科技工作者,全国汽车标准化技术委员会电动车辆分标委副主任委员、SAE车辆安全与信息安全技术委员会副主席、中国智能交通协会专家委员会道路车辆专业工作委员会专家、中国汽车工程学会学士,课题组主要从事新能源汽车能源动力系统安全、高效优化及控制理论研究。

刘新华,北京航空航天大学交通科学与工程学院助理教授,英国帝国理工大学客座讲师,北航浙江新能源汽车研究院主任,美国电化学协会会员,英国皇家化学协会高级会员,中国汽车工程学会会员,研究方向主要包括新能源汽车和电动无人机等动力电池系统研究。

论文信息:

Constructing a Highly Efficient Aligned Conductive Network to Facilitate Depolarized HighArealCapacity Electrodes in LiIon Batteries

Kai Yang, Luyi Yang, Zijian Wang, Bin Guo, Zhibo Song, Yanda Fu, Yuchen Ji, Mingqiang Liu, Wenguang Zhao, Xinhua Liu*, Shichun Yang*, Feng Pan*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202100601