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3D多孔Cu-Zn合金:超低温性能

3D多孔Cu-Zn合金:超低温性能

在锂离子电池负极材料领域,锌由于储量丰富和较高的体积密度,引起了科研工作者广泛的研究兴趣。然而,纯Zn负极显示出较差的循环性能。有报道指出,合金材料尤其是具有大比表面积的3D多孔微米/纳米结构,这种材料具有易于电解液渗透、界面动力学快、容量/能量密度大等优点。因此,德国亥姆霍兹研究所Stefano Passerini教授团队通过动态氢气模板(DHBT)方法制备出一种基于多孔Cu-Zn金属间化合物的新型负极材料。具有极好的超低温储锂性能。

3D多孔Cu-Zn合金:超低温性能

图1. 顶部:多孔Cu20Zn80的形貌; 底部:说明DHBT方法的操作原理方案。

 

作者通过在水中电沉积的方法制备出无碳无粘结剂电极。远离基体处孔径尺寸增加是典型的DHBT方法,这是源自气泡聚结和生长的机理。当沉积物变厚时,会产生较大的气泡,所得到的3D互相连接的空隙结构特别利于Li+传输。研究了合金组成对无碳无粘结剂电极性能的影响。最佳Cu:Zn原子比为18:82,提供高达10 A/g(≈30C)的极好倍率能力,并且在500次以上的循环中保持容量稳定。由Cu提供的高电子导电性和多孔电极形态也使得其在低温下具有优异的锂储存性能。在-20°C时,Cu18Zn82可以稳定地输送容量200mAh/g,而类似的商业石墨电极迅速衰减到12 mAh/g。

3D多孔Cu-Zn合金:超低温性能

图2. 合金组成电极的a)倍率性能和b)长期稳定性(0.5 A/g)。

3D多孔Cu-Zn合金:超低温性能

图3. 与商业石墨相比,Cu18Zn82合金的低温电化学性能。a)在T = -10℃下的倍率性能和循环稳定性。T = -20℃和T = -30℃不同温度下b)容量保持率和c)在0.1A/g下的电压比较。

 

作者通过对比研究,Cu18Zn82合金具有最佳的电化学性能,其在低温下远远优于商业石墨。但是实际应用中Cu的量可能仍然太高。也许使用粘结剂也可以使得即使具有较低Cu含量的材料实现类似的循环稳定性。另外,为了真正从Zn的体积容量中获益,减少总电极孔隙率也是必不可少的。所以许多要点还需要做进一步研究。

 

Alberto Varzi, Luca Mattarozzi, SandroCattarin, Paolo Guerriero, Stefano Passerini; 3D Porous Cu–Zn Alloys as Alternative Anode Materials for Li-Ion Batteries with Superior Low T Performance; Advanced Energy Materials(2017); DOI: 10.1002/aenm.201701706


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