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隔膜集成的可反接对称型锂离子电池

锂离子电池是目前最主流的移动电子设备电源,也是重要的电动汽车动力来源。近年来,基于各种新材料的锂离子电池电极相继被开发,如碳基、硅基负极,金属氧化物、硫化物电极材料,甚至有机材料。但总体上说,电池的结构并没发生明显改变,正负极依然各自使用不同材料(如钴酸锂正极和石墨负极)。这样在材料制备过程中,需针对不同材料设计独立的合成方案,并在电池组装时合理设计材料配比、选择集流体等,增加了生产步骤与成本。另外,由于正负极材料不同,电池使用中一旦出现操作失误,如过放电或者反接,电池寿命将会受到损害。针对以上问题,复旦大学先进材料实验室和化学系的郑耿锋教授课题组设计开发了正负极为等量碳包覆磷酸钒锂(Li3V2(PO4)3)纳米颗粒的对称型锂离子电池。这种新型结构的电池可在-2.5—2.5V的对称电压范围内可以实现正常工作,并且不会对电池造成任何破坏。同时由于电池结构完全对称,该类电极可以直接在隔膜上沉积并集成,减少电池厚度,并在更小体积内实现更多电池的串并联。10片该结构的薄膜电池总厚度仅约3mm,输出电压为20.8V。

隔膜集成的可反接对称型锂离子电池
实验中,研究人员先通过高温煅烧得到Li3V2(PO4)3纳米颗粒,然后以蔗糖为碳源包覆后二次煅烧,得到碳包覆Li3V2(PO4)3纳米颗粒——Li3V2(PO4)3@C. 将Li3V2(PO4)3@C:导电碳粉:粘结剂按8:1:1的比例制备电极浆料,并直接涂刷在事先用聚偏二氟乙烯包覆的聚四氟乙烯隔膜上。烘干后用纽扣或薄膜电池模具封装,制备得到隔膜集成的可反接对称型锂离子电池。在电池制作过程中,碳与聚偏二氟乙烯分别对于Li3V2(PO4)3纳米颗粒和隔膜的包覆有着十分重要的作用。实验表明,缺少两者中任何一个步骤的电池,存在着明显的充放电曲线畸变以及循环稳定性差的现象。相反,使用Li3V2(PO4)3@C与聚偏二氟乙烯包覆的聚四氟乙烯隔膜的电池,其容量在70圈后仍保持在首圈的70%,而且充放电曲线不存在畸变现象。研究人员通过对循环后的非隔膜集成电池进行拆解与半电池重组发现,仅有使用Li3V2(PO4)3@C与聚偏二氟乙烯包覆的聚四氟乙烯隔膜的电池中的隔膜,能在循环数十圈后保持原有颜色,且电极在重组的Li// Li3V2(PO4)3电池中表现出正常的充放电性质。通过分析原因,研究人员认为,碳与聚偏二氟乙烯的包覆可有效削弱Li3V2(PO4)3在充放电过程中的溶解和正负两极间的穿梭,进而大大提升电池循环性能。通过对电极材料晶体结构的进一步设计与电解液成分的优化,这种隔膜集成的可反接对称型锂离子电池的容量与循环性能将会有进一步的提升,并可有效降低因反接或过度放电对电池造成的不可逆破坏。该成果目前已发表于近期的SmallDOI: 10.1002/smll.201503399)上。


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