研究背景
為了滿足高電壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，一般是將多個(gè)鋰電池進(jìn)行外部串聯(lián)，在電池間設(shè)置絕緣和密封件，這種結(jié)構(gòu)占據(jù)的空間較大，極大的降低了電池的體積比能量。因此采用雙極型鋰二次電池通過內(nèi)部串聯(lián)疊層的方法可提高電池的能量密度。在雙極型鋰二次電池中，雙極板作為正負(fù)極的載體，需要同時(shí)具有高壓氧化穩(wěn)定性和還原穩(wěn)定性，而目前報(bào)道的不銹鋼、鈦箔或者 Cu|Al 復(fù)合箔材等雙極板具有重量大，延展性差等問題。
為此，我們(浙江大學(xué)吳浩斌團(tuán)隊(duì))提出采用輕質(zhì)、延展性好且成本低的 Al 箔同時(shí)作為雙極板和合金負(fù)極，這種“two-in-one”設(shè)計(jì)一方面簡化了雙極鋰離子電池的制備和結(jié)構(gòu)，此外利用高比容量的 Al 箔作為負(fù)極明顯提高了電池的能量密度，展現(xiàn)出良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，為高能量密度雙極鋰電池的開發(fā)提供新思路。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊 Journal of Materials Chemistry A 上，并入選 2022 Journal of Materials Chemistry A HOT Papers Themed Collection。
研究內(nèi)容
負(fù)極/雙極板一體化的鋁基雙極鋰電池設(shè)計(jì)：采用負(fù)極/雙極板一體化的鋁箔，只需在鋁箔一面涂覆正極活性物質(zhì)即獲得雙極型電極，隨后通過雙極型電極和電解質(zhì)的依次堆疊即可獲得雙極型鋰電池體系，較傳統(tǒng)的電池外部串聯(lián)體系，鋁基雙極電池節(jié)省了額外的空間和重量，因此體積能量密度提升 20% 以上。我們成功展示了堆疊 2 和 3 個(gè)單元的 LPF/Al 軟包電池，放電電壓平臺(tái)約為 5.9V 和 8.9V。
▲ | 圖 1. 鋁基雙極型鋰電池的設(shè)計(jì)a) 傳統(tǒng)鋰離子電池的典型結(jié)構(gòu)（中，LIB），鋰金屬電池（左，LMB）和以 Al 箔作為負(fù)極的鋰離子電池 (右)，對(duì)應(yīng)的體積能量密度（Evol）和質(zhì)量能量密度（Egrav）的變化 b) 采用不同石墨、金屬鋰負(fù)極和不同厚度鋁箔作為負(fù)極時(shí)計(jì)算的電池體積和質(zhì)量能量密度. c) 內(nèi)部串聯(lián)的雙極電池和外部串聯(lián)電池的對(duì)比 d) 內(nèi)部串聯(lián)的正極/Al 電池的結(jié)構(gòu)示意圖. e) LFP|Li, LFP|Al 電池在 0.1 C 和 Al|Li 在 0.5 mA cm-2. 的充放電曲線。f) 雙疊層和三疊層 LPF|Al 電池的開路電位和其對(duì)應(yīng)的充放電曲線 g) 。 |
負(fù)極/雙極板一體化的鋁基雙極鋰電池的電化學(xué)性能如圖 2 所示，LFP|Al 雙極鋰電池可通過內(nèi)部依次堆疊的方式獲取，且雙層疊 LPF|Al (2-unit)軟包電池具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，此外內(nèi)部兩串聯(lián)結(jié)構(gòu)的 LFP|Al 雙極鋰電池工作電壓高達(dá) 5.9V，可代替四節(jié)串聯(lián)的 1.5V 干電池為工作電壓為 6V 左右的風(fēng)扇持續(xù)供電。此外，采用 NCM111 作為正極時(shí)的雙極型鋰電池可提供更高的工作電壓（兩串時(shí)為6.7V）。
▲ | 圖 2. 雙極鋰電池. a) LFP|Al 扣式電池單體和雙極雙層疊 LFP|Al 軟包電池在 0.2C 下的循環(huán)性能，插圖為雙層疊LFP|Al軟包電池循環(huán)過程中的阻抗。b) 雙層疊 LFP|Al 軟包電池的恒流充放電曲線c) 雙層疊LFP|Al 軟包電池循環(huán) 40 圈后拆解所得的鋁箔界面 SEM 圖。d) 雙層疊LFP|Al軟包電池能夠?yàn)?6V 的風(fēng)扇提供動(dòng)力，相當(dāng)于四節(jié)串聯(lián)的干電池。e) NCM|Al 扣式電池單體和雙極雙層疊 NCM |Al 軟包電池在0.2C下的循環(huán)性，f) NCM|Al 單體和雙層疊結(jié)構(gòu)的充放電曲線。 |
對(duì)雙極型鋰電池的鋁箔作為負(fù)極時(shí)的循環(huán)性能進(jìn)行分析和表征：穩(wěn)定循環(huán)后的鋁箔庫倫效率保持99% 以上，鋰能與鋁箔進(jìn)行可逆的合金化和去合金化。盡管隨著循環(huán)進(jìn)行，鋁電極表面粉化層逐漸增厚，鋁箔在循環(huán) 200 圈后依舊保持完好（未反應(yīng)的鋁層厚度依舊有 57%）。
▲ | 圖 3. 雙極型鋰電池中鋁箔負(fù)極分析a) 鋁箔在 1.0 mA cm-2 和 1.0 mAh cm-2 循環(huán)時(shí)的庫倫效率和不可逆容量b) 鋁箔和預(yù)嵌鋰鋁箔循環(huán)過程中的電壓-容量曲線，c) 嵌鋰后鋁箔和脫鋰后鋁箔的 XRD，d)-h) 循環(huán)過程中 Al 箔表面和截面 SEM 圖像：d)首次嵌鋰, e)首次脫鋰, f) 循環(huán) 20 圈后, g)循環(huán) 100 圈，h) 循環(huán) 200 圈 |
總結(jié)展望
我們提出了一種新型的雙極型鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—采用鋁箔實(shí)現(xiàn)負(fù)極和雙極板一體化設(shè)計(jì)，通過一面涂覆正極的鋁箔內(nèi)部串聯(lián)即可構(gòu)筑雙極型鋰電池，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)明顯提高了電池的能量密度，同時(shí)簡化了雙極型鋰電池的制備工藝并降低制造成本。這種一體化的雙極電極設(shè)計(jì)為高能可充電電池提供了一種可行的方法，可用于汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用。
論文信息
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* (吳浩斌，浙江大學(xué))
Journal of Materials Chemistry A , 2022, 10, 11498-11503
http://doi.org/10.1039/D2TA01947G
浙江大學(xué)第一作者
2010 年本科畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系，2015 年 4 月于新加坡南洋理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，隨后赴美國加州大學(xué)洛杉磯分校從事博士后研究。2017 年 7 月加入浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。獲高層次人才引進(jìn)計(jì)劃青年項(xiàng)目、浙江省杰出青年基金資助。
從事微納米結(jié)構(gòu)及新型功能材料的設(shè)計(jì)、合成及其在電化學(xué)儲(chǔ)能、催化等能源、環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)研究高比能二次電池和含能小分子電催化轉(zhuǎn)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. 等國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文超過 130 篇，引用超過 28,000 次，H-index 為 82。2017-2021 年入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。國際知名材料化學(xué)類期刊 Matter 和 Materials Today Sustainability 編委，Chem 青年編委。
河北工業(yè)大學(xué)第一作者
2012 年本科畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018 年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位，隨后于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院從事博士后研究。2021 年 11 月入職河北工業(yè)大學(xué)。從事鋰/鈉離子電池材料和電解液設(shè)計(jì)等方面的研究。距今為止在 Energy Storage Materials、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letter、Matter、Journal of Electrochemical Society 等國際期刊發(fā)表 SCI 論文 20 余篇，授權(quán)專利 2 項(xiàng)。
