科學家研發出多功能型的高效電池電極材料

近日，中國科學院深圳先進技術研究院功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團隊成功研發出了一種具有集流體、負極活性材料、隔膜三重功能的一體化電極，並成功應用於高效、低成本的雙離子電池。這種新型結構有效解決了金屬負極材料在充放電過程中的體積變化劇烈、循環性能較差的問題，並有利於簡化電池生產工藝，增加電池能量密度。相關研究成果Multifunctional Electrode Design Consisting of 3D Porous Separator Modulated withPatterned Anode for High-Performance Dual-Ion Batteries（《一種包含有三維多孔隔膜和金屬負極的多功能電極設計及其在高效雙離子電池中的應用》）已在線發表於《先進功能材料》（Advanced Functional Materials，DOI: 10.1002/adfm.201703035）上。

隨著攜帶型電子設備和電動交通工具市場的快速發展，人們對於高能量密度、低成本二次電池的需求日益迫切。目前，商用鋰離子電池多採用石墨類負極材料，其理論比容量僅為372 mAh g-1，且壓實密度較低，限制了鋰離子電池能量密度的進一步提升。通過與鋰離子的合金化/去合金化反應，金屬負極通常具有更大的比容量，有望獲得更高的能量密度。以金屬鋁為例，其理論比容量高達2234 mAh g-1（Li9Al4），且儲量豐富，價格低廉。然而，鋁負極在電池反應過程中會產生一定的體積膨脹，從而影響電池的循環穩定性。為了改善這一現狀，研究工作者對金屬負極採取了納米結構設計、合金構建、複合材料構建等多種修飾方法。然而，基於電池結構方面的改進策略還鮮有報道。

基於上述考慮，唐永炳及其團隊成員張松全、王蒙、周志明等成功研發出了一種具有集流體、負極活性材料、隔膜三重功能的多功能電極，並將其應用於新型高效、低成本的雙離子電池。該電極包含三維多孔聚合物層與具有圖案的金屬鋁箔層兩大組成部分，此結構設計可使一體化電極獲得優秀的吸液、保液能力，並可有效緩解金屬負極在電化學反應過程中的體積變化及開裂粉化問題。此外，多功能電極設計還有效提升了負極活性材料佔比，簡化了電池製造工序，降低了製造成本。基於多功能電極材料的雙離子電池展現出優異的電化學性能：如高工作電壓（平均放電電壓可達4.2 V），長循環性能（1000 次循環，容量保持率為92.4%），高能量密度（在10 C充放電速率下能量密度高達158 Wh kg-1）。該研究成果對高容量、低成本金屬負極的開發具有指導意義，有望促進基於金屬負極的二次鋰離子電池的產業化應用。

多功能電極的合成過程示意圖；(b)雙離子軟包電池點亮兩個黃色LED燈；(c)所製備雙離子電池的循環穩定(a) 多功能電極的合成過程示意圖；(b)雙離子軟包電池點亮兩個黃色LED燈；(c) 所製備雙離子電池的循環穩定性測試

來源：中國科學院深圳先進技術研究院

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