沈陽金屬所李峰Adv. Sci.：快速電荷轉移和離子擴散的超穩定界面應用于柔性鋰離子電池

【成果簡介】

近日，中科院沈陽金屬研究所李峰研究員（通訊作者）等人發現在聚合物隔膜上進行氧等離子體處理，并結合高速離心噴涂設備來制備超穩定的界面。處理后的聚合物產生了豐富的親水含氧官能團，增強了隔膜和活性材料之間的化學附著力。將單壁碳納米管（SWCNTs）噴涂在活性材料上，形成了一層致密的薄膜作為集流體。同時，在高速旋轉引起的離心力和快速蒸發下的范德華力作用下，在集流體和活性材料之間產生了更緊密的界面。這種超穩定的界面相互作用，導致電極在5 000次彎曲循環后仍沒有問題，且鋰離子擴散系數幾乎是未處理電極的19倍。用這些電極組裝的柔性鋰離子電池顯示出良好的結構和電化學穩定性，并能在各種變形狀態和反復彎曲下穩定地工作。這項工作為合理設計柔性鋰離子電池的電極提供了一種新技術。相關成果以“Ultrastable Interfacial Contacts Enabling Unimpeded Charge Transfer and Ion Diffusion in Flexible Lithium-Ion Batteries”發表在Advanced Science上。

【引言】

近年來，智能、便攜和可穿戴電子產品的快速發展，對高能量/功率密度和靈活性的電源需求越來越大。對于可穿戴設備、曲屏顯示器、智能紡織品和生物傳感器，具有良好變形能力（如彎曲、扭曲和拉伸）和電化學性能的柔性電源是必不可少的。但是電池的正極和負極在反復變形后，活性材料很容易脫落。因此，開發柔性鋰離子電池（Lithium-Ion Batteries，LIB）的關鍵是制備在變形過程中具有良好結構穩定性的柔性電極。同時，集流體和活性材料之間的界面接觸是關鍵。聚丙烯、聚氨酯和棉織物等具有卓越的機械強度和輕質的聚合物和紡織品，被認為是柔性基材的良好候選材料。然而，這些基材的導電性通常要通過添加劑來提高。碳納米管具有一維結構和高機械強度，使其更適合與活性材料的自支撐復合材料或直接作為導電添加劑來構建高效的導電網絡。因此，它們在制備更低的界面電阻的柔性電極方面具有很大的潛力。除了活性材料和集流體之間的界面，隔膜和活性材料之間的界面也需要考慮，因為這個界面的離子轉移速率也極大地影響了變形下的電化學性能。

【圖文導讀】

圖 1 電極的制備和結構示意圖??2022 The Authors

（a）電極的制備過程；

（b-d）電極的橫截面（b）、側面（c）以及SWCNT側的光學及SEM圖像；

（e, f）)電極的XRM圖像和活性材料的內部分布模擬圖

圖 2 界面I和界面II的改進??2022 The Authors

（a，b）等離子體處理前后分離器表面的X射線光電子能譜（a）和傅里葉變換紅外光譜（b）；

（c，e）隔膜在等離子體處理前（c）和后（e）隔膜表面的接觸角；

（d，f）隔膜在表面處理前（d）和后（f）的光學照片；

（g）離心噴涂的設備；

（h）電極及其活性材料和SWCNT薄膜之間界面的SEM圖像；

（i，j）有SWCNTs作為活性材料中的導電添加劑（i）和無SWCNTs作為活性材料中的導電添加劑活性材料（j）和集流體之間界面的SEM圖像

圖 3 柔性電極的電化學特性??2022 The Authors

（a）不同倍率下的充電/放電曲線；

（b，c）LFP、LFP-SWCNT-Al和LFP-SP-Al電極的倍率性能（b）和EIS曲線（c）；

（d，e）LFP電極在1、5和10 C下的長期循環性能

圖 4 電極在5000次彎曲測試后的結構表征??2022 The Authors

（a-f）電極在5000次彎曲測試后的SEM圖像：LTO電極（a，d）、

LTO-SWCNT-Al電極（b，e）和LTO-SP-Al電極（c，f）;

（g）LTO、LTO-SWCNT-Al和LTO-SP-Al電極的EIS曲線；

（h）低頻區Z_re和ω^-1/2的關系；

（i）三種電極彎曲后的Li⁺擴散系數；

（j）三種電極彎曲后，在1 C的充放電曲線；

（k）在不同電流密度下的極化電壓；

（l）三種電極彎曲后的循環性能

圖 5 PDMS膜和鋁塑膜包裝的電極組裝的柔性LIB ?2022 The Authors

（a-f）不同彎曲狀態下的電池（a-d），以及在平坦和彎曲狀態下，PDMS薄膜的柔性LIB點亮了一個LED圖；

（g-i）在不同的變形狀態下，鋁塑膜的柔性LIB的平的、彎曲的、折疊的和卷曲的狀態下點亮LED

【小結】

本文為柔性鋰離子電池開發了一種具有超穩定界面接觸的電極。通過對聚合物隔膜進行氧等離子體處理和在活性材料上高速離心噴涂SWCNTs的策略，大大改善了LIB中的兩個關鍵界面，即活性材料和隔膜之間的界面，以及活性材料和集流體之間的界面。SWCNTs既可用于集流體，又可作為活性材料的導電添加劑，有效地增強了界面接觸，大大降低了界面電阻。由于獲得了中間層結構和改進的界面接觸，電極具有非常穩定的電化學性能、長循環壽命和良好的結構穩定性。即使經過數千次的彎曲時測試，微觀結構仍然保持良好，界面電阻幾乎沒有變化。因此，用這種電極組裝的柔性鋰離子電池在各種變形下都能穩定工作，在實際應用中的巨大潛力。這種采用高速離心噴涂在活性材料上，直接形成集流體的方法為改善其他電極的界面提供了新的途徑。

文獻鏈接Ultrastable Interfacial Contacts Enabling Unimpeded Charge Transfer and Ion Diffusion in Flexible Lithium-Ion Batteries（Advance Science DOI: 10.1002/advs.202105419）。

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