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?不斷發(fā)展的便攜式電子設(shè)備以及動力汽車市場對鋰電池的能量密度提出了更高的要求。通常來說,提升能量密度最有效的方法之一就是提高活性物質(zhì)負(fù)載量(即制備厚電極),從而降低集流體等非活性組分占比。然而,電極厚度增加會導(dǎo)致離子和電子傳輸距離增加,電極極化嚴(yán)重,電化學(xué)性能大打折扣。目前的厚電極研究工作多聚焦在集流體和涂覆工藝的優(yōu)化上,活性物質(zhì)負(fù)載量的增加是以一定程度犧牲電極電化學(xué)性能或體積能量密度為代價實(shí)現(xiàn)的。因此,要實(shí)現(xiàn)理想的厚電極,必須同時解決電極中離子/電子傳輸以及活性物質(zhì)堆砌密度的關(guān)鍵問題。基于此,復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系盧紅斌課題組與上海科技大學(xué)董雷博士合作,從活性物質(zhì)微觀形貌切入,創(chuàng)新性地提出了“二維多孔片層層組裝”的厚電極構(gòu)筑新策略,極大提升了鋰電池能量密度和倍率性能,其中三元材料基正極面容量可達(dá)45 mAh cm-2,相對商用正極提高近十倍。
圖1. 二維多孔片層層組裝示意圖
?該項工作的研究要點(diǎn):
?提出了多種二維多孔片的通用制備策略,以主流正極材料三元鎳鈷錳為例,利用葡萄糖輔助的方法,合成二維多孔片,與碳管共混后層層組裝成膜,得到自支撐電極片。在該體系中,實(shí)現(xiàn)高載量、低孔隙率的同時,片內(nèi)的孔貫穿整個電極,實(shí)現(xiàn)了通暢的離子傳輸,同時,碳管的交織網(wǎng)絡(luò)保證完善的電子傳導(dǎo)。
圖2. 二維多孔片及層層組裝的電極形貌
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?利用COMSOL軟件,為二維多孔片和傳統(tǒng)漿料涂覆法所用的微球建立了兩種模型,對電極中的離子傳輸進(jìn)行了動力學(xué)模擬。在相同的電流密度下,對于無序堆砌的顆粒,同樣的鋰離子消耗,1s后觀察到明顯的濃度梯度,5s后迅速惡化。直到500s后濃度梯度才趨于穩(wěn)定,直到此時,電化學(xué)反應(yīng)消耗的鋰離子與擴(kuò)散補(bǔ)充的鋰離子才達(dá)到平衡。而在二維多孔片中,離子擴(kuò)散非常順暢,體系在5秒內(nèi)迅速達(dá)到平衡,并保持一個低的、穩(wěn)定的濃度梯度。同時,因為更小的電極極化,電極的放電平臺也要優(yōu)于傳統(tǒng)電極。
圖3. 電極中鋰離子傳輸動力學(xué)模擬
?實(shí)現(xiàn)超厚電極的構(gòu)建,面積負(fù)載量最高達(dá)320 mg/cm2。隨著負(fù)載量的增加,離子傳輸通道始終暢通無阻,活性物質(zhì)克容量無明顯衰減。最終,在38%的孔隙率下,最高面積容量達(dá)45.4 mAh/cm2。
圖4. 厚電極的電化學(xué)性能
?此外,該研究中提出的二維多孔片的制備方法可拓展到其它金屬氧化物材料,除了主要研究對象三元鎳鈷錳NCM333以外,該工作還成功制備了包括NCM811、鈷酸鋰以及富鋰錳基等正極材料在內(nèi)的多種二維多孔片狀活性物質(zhì)。
?該成果近日以“Thick electrode with thickness-independent capacity enabled by assembled two-dimensional porous nanosheets”為題發(fā)表于雙盲審稿的國際權(quán)威期刊Energy Storage Materials(DOI:10.1016/j.ensm.2020.12.034)。論文的共同第一作者是復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系碩士生吳天琪和博士生趙則棟,通訊作者是上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院董雷博士和復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系盧紅斌教授。
論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721000015
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