Adv.Energy.Mater.：快充不是夢，集成配置設計助力雙離子快充電池！

【引言】

鋰離子電池是當今便攜電子產品中的主要能量儲存器件。受限於其電子傳輸特性和鋰離子在電極和電解液界面傳輸速率較低，提高鋰離子電池的高能量密度仍是一個挑戰。

其中一個解決策略是用納米材料來構建3D導電多孔網狀結構，提高倍率性能。然而，絕大部分該類研究只是針對半電池體系，對全電池的調研少之又少。尤其需要解決的是，用集流體和電解液優化活性材料的內部接觸，以此提高對良好倍率性能有益的離子和電子的傳輸效率。

雙離子電池(dual-ion batteries, DIBs)與傳統鋰離子電池相比，由於眾多優勢，如寬電壓窗口、低成本、高安全性等，已引起廣泛關注。但是由於其低電子、離子導電性，其倍率性能仍需進一步提升。

【成果簡介】

近日，來自中科院深圳先進技術研究院的唐永炳研究員在著名期刊Advanced Energy Materials上發表題為」Integrated Configuration Design for Ultrafast Rechargeable Dual-Ion Battery」的文章。該文章報道了一種用活性材料、集流體、隔膜裝配在一個柔性構件上用於快充能量儲存的集成雙離子電池。在電池結構上，鋁薄膜直接沉積在3D多孔玻璃纖維隔膜上來形成多孔網狀結構用作陽極和集流體，陰極活性材料負載在隔膜的另一邊，並在陰極上沉積一層鋁薄膜作為集流體。該設計簡化了電池製造過程，並給活性物質和集流體之間創造了充足的界面接觸。全電池測試中快速充放電倍率可達到120C的同時，容量保留率達到99%。長期穩定性測試中，60C倍率下可循環1500次。

【圖文導讀】

圖一：集成雙離子電池構建過程

玻璃纖維上通過刮塗一層天然石墨作為正極，Plasma處理後於正極表面沉積一層鋁薄膜作為集流體，另一面同樣沉積鋁薄膜作為負極和集流體。

圖二：材料相關表徵

a) 製備的柔性雙離子電池圖像；

b) SEM表徵；

c) 鋁薄膜低倍形態SEM；

d) 鋁薄膜高倍形態SEM；

e) 陽極鋁薄膜界面的SEM；

f) 玻璃纖維包覆鋁薄膜的高倍SEM；

g) 陰極和集流體的SEM以及h)Al、i)C的EDX。

圖三：電化學性能表徵

a) 充放電曲線；

b) 不同倍率下的充放電倍率電壓；

c) 1-120C倍率特性；

d) DIB在60C下循環1500次的循環特性。

圖四：長時間循環前後表徵對比

a) 陽極鋁薄膜表面SEM；

b) 60C下1500次循環後陽極鋁薄膜/玻璃纖維界面區域的SEM；

c) 循環前、60C、120C下XRD；

d) 陰極集流體的剖面SEM；

e) 對應的Al和C的EDS；

f) EIS表徵。

【結論】

該文章報道了一種集成配置設計的高性能雙離子電池，通過鋁薄膜磁控濺射沉積在3D多孔玻璃纖維隔膜上形成了多孔陽極，同時隔膜另一面直接負載天然石墨作為陰極並在上面沉積鋁薄膜作為集流體。由於3D多孔導電陽極結構和優越的陰極材料與集流體的接觸，傳輸電子阻抗和離子阻抗顯著減少。結果，集成DIBs得到120C倍率下116.1mAh g-1的高容量(充放電只需30S)。並且，3D多孔陽極結構能有效緩解體積膨脹，使得60C下長期循環穩定性超過1500次，容量保留達到61%。其能量密度高達232.6Wh kg-1，功率密度22634.5W kg-1。

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