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全纳米锂离子电池:一种全新的电池结构

全纳米锂离子电池:一种全新的电池结构

目前商业化的电池中,电极片均由活性材料、导电剂和粘结剂的混合物随机涂在金属集流体上制成。这种单调的电极结构通常会导致贯穿厚度方向的材料分散不均匀和阻碍离子/电子传输。此外,存在电化学惰性材料,如金属集流体、导电剂和粘结剂,其占电极质量的重要部分,导致电极面积容量不可避免的损失。为了解决上述长期存在的挑战,韩国蔚山国家科技学院Sang-Young Lee教授研究团队展示了一种全纳米(Si负极/隔膜/OLO正极)LIB全电池。在该电池中,纳米硅和叠层层状氧化物(OLO,0.33Li2MnO3•0.67LiNi0.18Co0.17Mn0.65O2)分别作为负极和正极活性材料,并且去除了集流体。实现了极好的电化学性能。

全纳米锂离子电池:一种全新的电池结构

图1. a)示意图描绘了负极制备工艺(底层→Si活性(中)层→顶层)。每一层的纳米硅层由电喷雾和静电纺丝两个喷嘴同时进行制备而成。b)负极横截面的SEM图。c, d)b中标记处的放大图。e)具有近似硅负载量(≈1.5mg/cm^2)的传统硅负极的横截面SEM图。

 

纳米电极通过一步工艺制备,即并联电纺丝(用于聚合纳米纤维)和电喷雾(用于电极材料/CNT)。作者通过将纳米Si负极和OLO正极与镶嵌Al2O3纳米颗粒的隔膜组装在一起,制造出全纳米LIB全电池。在纳米电极中,Si(或OLO)粉末密集地嵌入在空间交织的聚合纳米纤维/CNT异构体框架中,构建出可以促进电极中氧化还原反应的三维连续离子/电子传导通道。此外,高度网状的CNT电子网络不需要金属集流体的支撑,使得电极的面积容量显著增加。在由上述结构/化学新颖性等优点的驱动下,全纳米LIB(即纳米级Si负极/纳米级Al2O3隔膜/纳米级OLO正极)电池性能显示出前所未有的改善:电池重量能量密度和体积能量密度分别高达 479 W h/kgCell和707 W h/LCell

全纳米锂离子电池:一种全新的电池结构

图2. 全纳米电池的相关表征。a)电池断面SEM图像。b)电池的概念示意图。c)电池的初始充放电图。d)全纳米电池和传统全电池在不同倍率下的放电性能。e)全纳米电池和传统全电池的循环性能。f)全纳米电池弯曲前后的充放电曲线。g)全纳米电池处理前后LED灯的操作照片:折叠三次后(左)和严重褶皱(右)。

 

除了纳米级电极之外,使用并行静电纺丝(用于聚合物纳米纤维)/电喷雾(用于Al2O3纳米颗粒)工艺制备的纳米Al2O3隔膜可以作为商业聚烯烃隔膜在多孔结构、耐热性和机械稳定性方面替代者。全纳米(Si/OLO)全电池在电池性能方面提供了极大的改进,这些都是传统的LIB技术难以实现的。这种全纳米电池结构可以轻松地与各种电极材料结合,最终开辟新途径。

 

Ju Myung Kim,Jeong A. Kim,Seung Hyeok Kim,In Sung Uhm,Sung Joong Kang,Guntae Kim,Sun Young Lee,Sun Hwa Yeon,Sang Young Lee; All-Nanomat Lithium-Ion Batteries: A New Cell Architecture Platform for Ultrahigh Energy Density and Mechanical Flexibility; Advanced Energy Materials(2017); DOI:10.1002/aenm.201701099


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