Small Methods:无模板法实现高性能锂离子电池厚电极的规模化制造

锂离子电池在电动汽车、便携式电子设备和电网储能中的广泛应用都迫切需要更高的能量密度来满足目前不断增长的市场需求。近年来,除了开发新的电池化学/材料/系统之外,直接提高电池的电活性成分比例(如增加电极厚度)已成为提升电池能量密度的有效策略。在当前电极迂曲的多孔结构下,离子传输动力学是设计高能量密度锂离子电池厚电极的主要挑战。定向孔结构(具有垂直于电极平面的微通道)的引入可以为Li+提供快速的传输路径,能在保持高能量密度的同时最大化电极的倍率性能,因此引起了学术界和产业界极大的研究兴趣。现有的定向孔电极制造方法通常是将某种牺牲相作为模板装配到电极基体中,随后再将其移除以获得垂直孔道结构。然而,这种基于模板的方法在制备、装配和移除模板过程中存在较高难度和复杂性。如何以简单、可规模化和低成本的方式制造定向孔结构仍然是厚电极应用的一个巨大挑战。

近日,华中科技大学周华民教授、张云教授等提出了一种无模板策略来满足定向孔电极的大规模制造需求:通过往电极浆料中添加发泡剂(NH4HCO3),利用其热分解产生的垂直聚集气泡来构造定向孔道。研究表明该工艺制造出的定向孔结构具有良好的稳定性、可控性和耐压性。该方法不仅适用于三元(LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2,NMC532)、钴酸锂、石墨等不同的活性材料,并且与工业卷到卷制造工艺兼容。电化学模拟进一步揭示了电极定向孔道和基体孔隙中离子传输动力学之间的竞争关系,最佳的定向孔孔隙率(约0.11)可平衡离子在定向孔和基体孔中的传输效率,从而使动力学性能最优化。以NMC532为例,制备的定向孔电极在5C倍率下显示出高于常规电极7倍的放电容量,且功率密度两倍于文献中其他方法制造的定向孔电极。这种无模板法相比以往的模板法更具可扩展性、直接性和成本效益,在推进高性能厚电极的实际应用方面具有巨大潜力。本工作第一作者为课题组博士生熊若愚。

论文信息:

Scalable Manufacture of High-performance Battery Electrodes Enabled by a Template-free Method

Ruoyu Xiong, Yun Zhang,* Yunming Wang,* Lan Song, Maoyuan Li, Hui Yang, Zhigao Huang, Dequn Li, Huamin Zhou

Small Methods

DOI:10.1002/smtd.202100280

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100280