- A+
研究背景
on>为了满足高电压系统驱动，一般是将多个锂电池进行外部串联，在电池间设置绝缘和密封件，这种结构占据的空间较大，极大的降低了电池的体积比能量。因此采用双极型锂二次电池通过内部串联叠层的方法可提高电池的能量密度。在双极型锂二次电池中，双极板作为正负极的载体，需要同时具有高压氧化稳定性和还原稳定性，而目前报道的不锈钢、钛箔或者 Cu|Al 复合箔材等双极板具有重量大，延展性差等问题。
为此，我们(浙江大学吴浩斌团队)提出采用轻质、延展性好且成本低的 Al 箔同时作为双极板和合金负极，这种“two-in-one”设计一方面简化了双极锂离子电池的制备和结构，此外利用高比容量的 Al 箔作为负极明显提高了电池的能量密度，展现出良好的电化学稳定性，为高能量密度双极锂电池的开发提供新思路。相关成果发表在国际期刊 Journal of Materials Chemistry A 上，并入选 2022 Journal of Materials Chemistry A HOT Papers Themed Collection。
研究内容
负极/双极板一体化的铝基双极锂电池设计：采用负极/双极板一体化的铝箔，只需在铝箔一面涂覆正极活性物质即获得双极型电极，随后通过双极型电极和电解质的依次堆叠即可获得双极型锂电池体系，较传统的电池外部串联体系，铝基双极电池节省了额外的空间和重量，因此体积能量密度提升 20% 以上。我们成功展示了堆叠 2 和 3 个单元的 LPF/Al 软包电池，放电电压平台约为 5.9V 和 8.9V。
▲ | 图 1. 铝基双极型锂电池的设计a) 传统锂离子电池的典型结构（中，LIB），锂金属电池（左，LMB）和以 Al 箔作为负极的锂离子电池 (右)，对应的体积能量密度（Evol）和质量能量密度（Egrav）的变化 b) 采用不同石墨、金属锂负极和不同厚度铝箔作为负极时计算的电池体积和质量能量密度. c) 内部串联的双极电池和外部串联电池的对比 d) 内部串联的正极/Al 电池的结构示意图. e) LFP|Li, LFP|Al 电池在 0.1 C 和 Al|Li 在 0.5 mA cm-2. 的充放电曲线。f) 双叠层和三叠层 LPF|Al 电池的开路电位和其对应的充放电曲线 g) 。 |
负极/双极板一体化的铝基双极锂电池的电化学性能如图 2 所示，LFP|Al 双极锂电池可通过内部依次堆叠的方式获取，且双层叠 LPF|Al (2-unit)软包电池具有优异的循环稳定性，此外内部两串联结构的 LFP|Al 双极锂电池工作电压高达 5.9V，可代替四节串联的 1.5V 干电池为工作电压为 6V 左右的风扇持续供电。此外，采用 NCM111 作为正极时的双极型锂电池可提供更高的工作电压（两串时为6.7V）。
▲ | 图 2. 双极锂电池. a) LFP|Al 扣式电池单体和双极双层叠 LFP|Al 软包电池在 0.2C 下的循环性能，插图为双层叠LFP|Al软包电池循环过程中的阻抗。b) 双层叠 LFP|Al 软包电池的恒流充放电曲线c) 双层叠LFP|Al 软包电池循环 40 圈后拆解所得的铝箔界面 SEM 图。d) 双层叠LFP|Al软包电池能够为 6V 的风扇提供动力，相当于四节串联的干电池。e) NCM|Al 扣式电池单体和双极双层叠 NCM |Al 软包电池在0.2C下的循环性，f) NCM|Al 单体和双层叠结构的充放电曲线。 |
对双极型锂电池的铝箔作为负极时的循环性能进行分析和表征：稳定循环后的铝箔库伦效率保持99% 以上，锂能与铝箔进行可逆的合金化和去合金化。尽管随着循环进行，铝电极表面粉化层逐渐增厚，铝箔在循环 200 圈后依旧保持完好（未反应的铝层厚度依旧有 57%）。
▲ | 图 3. 双极型锂电池中铝箔负极分析a) 铝箔在 1.0 mA cm-2 和 1.0 mAh cm-2 循环时的库伦效率和不可逆容量b) 铝箔和预嵌锂铝箔循环过程中的电压-容量曲线，c) 嵌锂后铝箔和脱锂后铝箔的 XRD，d)-h) 循环过程中 Al 箔表面和截面 SEM 图像：d)首次嵌锂, e)首次脱锂, f) 循环 20 圈后, g)循环 100 圈，h) 循环 200 圈 |
总结展望
我们提出了一种新型的双极型锂电池结构设计—采用铝箔实现负极和双极板一体化设计，通过一面涂覆正极的铝箔内部串联即可构筑双极型锂电池，这种结构设计明显提高了电池的能量密度，同时简化了双极型锂电池的制备工艺并降低制造成本。这种一体化的双极电极设计为高能可充电电池提供了一种可行的方法，可用于汽车和大规模储能应用。
论文信息
A “two-in-one” integrated electrode design for high-energy rechargeable bipolar Li batteries
Qianqian Liu, Yan Liu , Yifei Xu , Jianghao Wang , Zerui Chen , Hao Bin Wu* (吴浩斌，浙江大学)
Journal of Materials Chemistry A , 2022, 10, 11498-11503
http://doi.org/10.1039/D2TA01947G
浙江大学第一作者
2010 年本科毕业于复旦大学化学系，2015 年 4 月于新加坡南洋理工大学获得博士学位，随后赴美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究。2017 年 7 月加入浙江大学材料科学与工程学院。获高层次人才引进计划青年项目、浙江省杰出青年基金资助。
从事微纳米结构及新型功能材料的设计、合成及其在电化学储能、催化等能源、环境领域的应用，重点研究高比能二次电池和含能小分子电催化转化。近年在 Nat. Energy, Science Adv., Nat. Commun., Matter, Chem, Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci. 等国际学术期刊上发表论文超过 130 篇，引用超过 28,000 次，H-index 为 82。2017-2021 年入选科睿唯安全球高被引科学家。国际知名材料化学类期刊 Matter 和 Materials Today Sustainability 编委，Chem 青年编委。
河北工业大学第一作者
2012 年本科毕业于哈尔滨工业大学，2018 年获哈尔滨工业大学博士学位，随后于浙江大学材料科学与工程学院从事博士后研究。2021 年 11 月入职河北工业大学。从事锂/钠离子电池材料和电解液设计等方面的研究。距今为止在 Energy Storage Materials、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letter、Matter、Journal of Electrochemical Society 等国际期刊发表 SCI 论文 20 余篇，授权专利 2 项。
目前评论：0