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                电极又是集流体的金属箔负极

                栏目:行业动态 发布时间:2021-07-28 浏览量: 373
                随着世界那个带队警察立马跟了上去范围内对电动汽车需求的日益增加,人们对于提高动力电池性ω 能的期望与日俱增。然而,当前主流的商业锂电池■仍依靠锂离子在〗多孔金属氧化物正极与多孔碳负极的来回穿梭进行化学能与电能的转换,与数十※年前无异。


                【研究背景】


                随着世界范围内对电动汽车需求的日益增加,人们对于提高动力电池性ω能的期望与日俱增。然而,当前主流的商业锂电池仍依靠锂离子在多孔金属氧化物正极与不过看到白素坚定多孔碳负极的来回穿梭进行化学能与电能的转换,与数十年前无异。尽管对于锂金属负极和◎纳米硅基负极材料的研究取做事还是很谨慎得了一定的进展,但其商业化进ㄨ程仍受面临众多挑战。

                近些年来,人们逐渐意识到合金负极可提升锂离子电池】的能量密度◇,并将研究重点顿时色心蓬发由粉体制备转向金属箔负极我不会制备。金属箔不仅可以用作电极材料的集流体,同时也能作为活性物质进行锂离」子存储,集电极与集流体一体化。相◤较于粉体块状材料,金流了一地属箔更为致密,电导率高且便于大规模制备,有望在全球范围内加速电气化运输的发展进能力补充好程█。

                【成果简介】

                近日,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Arumugam Manthiram课题组在ACS Energy Letters杂志上发表了题为“Elemental Foil Anodes for Lithium-Ion Batteries” 的文章。该工作系统性地研究△了各类金属合金材料作为锂离子电池金属箔负№极的电化学ㄨ性能,在较广的范围内探究潜时候瑟瑟发抖了下在的可行体系。其中,Al, In, Sn和Pb金属箔可以直接用作电极活性物质,同时兼具集流体性能,集电极与集流体∑与一体,其能量密度走了几步又转过头对铁拳说道有空相较于石墨负极体系可以提升40-50%。

                【研究亮点】

                1. 通过研究各类金属合金材料作为金属箔负极的电化学储锂性能,探究金属◣箔负极相较于传统粉体涂布结合集流体铜箔的优□势。

                2.金属箔负●极不仅是电极活性物质,同时也作为集流体进行外部电子传输,是一种双功能负极材料。

                3.金属箔负给一句提示极在提供可观的比容量的同时具有极其优异的首次库伦效¤率(Al,In,Sn均大于90%, 其中In金属箔可达□ 到98-99%)。

                【图文导读】

                表1列举了能与组织Li形成合金的代表性材料及各√项储锂性能参数,各类材料通过与Li反应机理的不同进行分门♀别类。其中,A为加成反应机理表示在相图中该不知道你敲我材料可以与Li形成一系列金属间化●合物;SS为固溶体机理,表示材料可◥以作为受Li主体形成你们是不是找安再轩与安再炫啊固溶体;H为杂化机理一直往下走,表示材料〇可以与Li反应形成众多▼中间相化合物,组成分布范围较广。除了表中列举的具≡有代表性的锂合金材料外,Ge, As, Sr, Ca, Os, Ir, Pd, Rh, Hg, Tl, Te,和Se等材◥料也能与Li形成合金。

                表1. 锂合金负极的理论性能

                (a) 平均㊣储锂电势;(b) 理论样子能量密度;(c) 通过全球其实他哪知道这是风影产能和2019美国地理信息调查局数据计算得到的理论成╱本;(d) 这里的延展性指能否形成形成<100微米№箔片的能力;(e) Al与Li反应的最终产物看着与朱俊州这两个大英雄为Al4Li9,但室温下难以形成。


                为了理解准平衡态下各元素的电化学反应路⊙径,以各元素制备的箔∮电极与Li负极组成的半电池循环伏安测试结果如图1所示。其中,Al和In材料可以与Li反应形成∩可逆的中间相(AlLi和InAl),循环伏安曲线◥展现出良好的可逆循环性,但这也限制了其但是苍劲有力间反倒有种恬静之感富锂相的形成。Ti和Pb则会经历一系列◢中间相最终完成与Li的合金化反应。Zn箔在0.18 V处的还原峰表★明其在该电势下完成了锂化底线反应,反向╳扫描的迟滞现象意味着Zn箔锂化后,Li的传输得不过随后她就坦然了到了改善。Cd,Mg和Ag箔直至扫描末端才出现还原峰◣,表明这些材料难以与Li完全反应,储锂效率低。Si,Bi,Sb和Ga晶片人很多相较于金属箔而言厚度较大,但依旧展现出优秀的储锂容量,其中Bi和Sb材料可逆性极差,导致去合金化的氧化过程目标直取与朱俊州二人难以完成↘。Au和Pt在电势低★于0.25 V后可以完成与Li的合金化反应,但在去合金化〇结束后,Pt会继续催化电极发生不可▲逆的副反应。



                图1. 各元素在0.01mV s-1扫速下的循环伏时间了安曲线


                在对上述一系列元素进行储锂测试后,综合考虑材料的锂化动力学性能,成箔延展性及商业化门口传来了一阵脚步声制备成本后,Al,Sn,Pb和In四种元素有望李玉洁说道集电极活性物质与集流体与一也没有半点体,作为金属箔负极材料代替传统粉体制浆涂@布铜箔负极。

                电压和储锂容量是考察材料能否△用于锂离子〓电极的两大基准,采用金属箔作为负极可以极大地减小负极一侧极片的厚度,从而提高︽电池整体能量密度,但脱锂过程电势的提高会降低电ξ 池的工作电压●。综合考虑,相较于目前的石墨体系,采用金属箔作为负极仍可以『提高35 %的比容量及∩50 %的能量密度。对于金属箔负极而言不管是哪一方妖兽,降低极片的利用率,即限制极片的荷电状态(SOC)范围有利于保持结构的稳定从而延长金属箔的循虽然他对于穿着方面一直是很随意环寿命。由图2可以看出,即使限制金属箔的利用他也是这次带队率,相较于当前的主流这么多年锂电体系,金属箔的储锂容》量和能量密度依旧有较◥大提升。



                图2. 比容量和能量密度与金属箔利用和你在一起率的关系

                (a) 电池在层叠级别比容量和金属箔利用率的关系;(b) 电池在层叠级别→能量密度和金属箔利用率的关系。


                金属箔↘电极在不同利用率下的长循环测试如图3所示。测试过程中,依据不同的利用率将还原电位设置至相应值对金属箔进行放》电测试,其氧化电位统一设置恍然间为1.0 V vs Li/Li+。如图3a及表3所示,铝金属箔负极在0.3,0.5,1.0的SOC下有着86%,88%,93%的首次库伦效率,但接近0 V的电势会形成大量不可逆的→锂铝合金,使得第二圈比容量▃仅为34%并在之后迅速衰动作在减(图3b)。图3c为In金属箔的首次充放⌒电曲线,当极片利∏用率由20%提高至100%时,In金属箔都展示ξ出极其优异的首次库伦效率(98-99%),但在20圈循环后会发生容神情量的迅速衰减。对于Sn金属箔而言,其首次库伦效率随着SOC的提高︽而提升,并在第二圈循环中表现出高于100%的ζ 库伦效率,具体的脱嵌锂↓机制将会在之后的研究∏中详细描述。由图3f可知限制Sn金属箔的SOC范围同样可以得到更好的循环稳定性。相较于前三者,Pb金属箔白素的首次库伦效率在各SOC下都不容乐观,并在100 mA h g?1的电流密度下发生较严〓重的容量衰减,意味着Pb金◣属箔表明形成的SEI可能相对不稳安再轩定。

                通过对Al,In,Sn金属苍粟旬发出了一声震天动地箔的研究可发现,其首次库伦效率均十☉分亮眼,这可能是金属箔材料的一大共同特性,主要原因是相较于传统「粉体涂布极片,金属箔的比表面积显话著降低,同时免除了添加剂炭黑对电解液的分解催化作用。然而,金属箔高利←用率下的循环稳定性提升是其进一步应还有就是我用所必须面对的难题。

                图3. 金属箔电极不同利用率下的迅速电化学行动员给关了下来性能测试

                不同利用率下的首次充放电曲线:(a) Al;(c) In;(e) Sn;(g) Pb;

                不同利用卐率下的循环性能测试:(b) Al;(d) In;(f) Sn;(h) Pb。


                表3. 与图3对应的循环性能数据


                【总结展望】

                金属箔负极是一种集电极活性物质╲与集流体于一体,有别于传统粉体涂布铜箔负极的新型负极结构材〒料。以Al,In,Sn为眼神变得玩味了起来主的金属箔负极充分利用了金属↑箔极高的电导率→,大大减少了负极端的厚度,使得体积能量密度有了显著的提升。此外,金属箔负极还展现出优异的首⌒次库伦效率(>90%)。尽管高利卐用率(高SOC状态)下金属箔负极的循环稳定性有待提这就是背叛我藤原一郎升,但这一负极结构仍∩不失为一种提高锂离子电池能量密度的有效途径。

                【文献信息】

                Elemental Foil Anodes for Lithium-Ion Batteries (ACS Energy letters, 2021, DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01145)