Adv. Mater. 鋁箔——既是LIBs負極也是集流體，引領新一代LIBs潮流

駑馬一越縱橫五洲 7年前 (2016-12-21) 4532瀏覽

【引言】

鋰離子電池（LIBs)是最常見的電化學儲能器件，最初的LIB結構仍沿用至今，包括正極材料（主要分為層狀、橄欖石型和尖晶石型三種結構）、負極材料（主要為石墨）、隔膜、電解質以及正負極集流體。由于便攜器件和交通工具的需求激增，現有鋰離子電池能量密度（約120–170 W h kg^?1的范圍內）難以滿足需求，急需高能量密度、低成本的LIBs，在探索高可逆容量和寬電化學窗口LIBs道路上人們探索了不同納米結構的電極材料，如復合、多孔和中空結構，由于能量負載有限難以取得重大突破。還有一些鋰硫電池，鋰空氣電池表現出了高能兩密度但技術不夠成熟無法商業化。

【成果簡介】

近日來自中國科學院深圳先進技術研究院的唐永炳研究員?（通訊作者）課題組在Advance Materials上發表了一篇名為A Novel and Generalized Lithium-Ion-Battery Configuration utilizing Al Foil as Both Anode and Current Collector for Enhanced Energy Density文章，報道了一種采用鋁箔制成的可裝載在大部分LIB上的新型負極材料，他可以復合多種正極材料，如LiCoO₂、LiFePO₄、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂，一次簡稱為LCO–Al, LFP–Al, 和 NCM–Al 電池。與傳統LIBs不同，他們的負極和集流體都是鋁箔，并且表現出了更高的能量密度，如LCO–Al電池就比普通LCO-石墨電極能量密度高出了1.5倍。

【圖文導讀】

圖1.兩種鋰離子電池充放電原理示意圖

(a).石墨作為負極，LiCoO₂作為正極的普通LIBs充放電示意圖

(b).使用鋁箔負極，LiCoO₂正極的新型電池充放電示意圖

圖2.LCO–Al電池電化學性能測試圖

(a).新型LCO–Al電池在0.2C條件下恒電流充放電曲線，插圖是充滿電后的LCO–Al電池點亮紅色和黃色兩盞串聯LEDs燈泡的照片。

(b).LCO–Al電池修正后的dQ/dV微分曲線

(c).1-5C條件下LCO–Al電池修正后的比容量和庫倫效率測試圖

(d).LCO–Al電池在2C條件下循環250次的循環性能測試圖

圖3.充放電循環后形貌及結構表征測試圖

(a).充放電循環之前鋁箔負極的SEM照片，插圖是普通光學照片和放大的SEM照片

(b).LCO–Al電池鋁箔負極添加5 vol%VC，2C條件下循環150次的SEM照片，插圖是普通光學照片和放大的SEM電子照片

(c,d).分別是LCO–Al電池循環之前和2C條件下循環150次（同樣添加5 vol%VC）的鋁箔負極斷面SEM照片

(e).未循環的鋁箔負極和循環150次鋁負極的XRD測試圖

圖4.LFP–Al 電池電化學性能測試圖

(a).1C條件下LFP–Al 電池恒流充放電測試圖

(b).LFP–Al 電池校正后的dQ/dV微分曲線

(c).LFP–Al 電池0.5-10C范圍內不同倍率下的比容量測試圖

(d).LFP–Al 電池1C條件下循環500次的循環性能和庫倫效率測試圖

圖5.NCM–Al電池的電化學性能測試圖

(a).1C條件下NCM–Al電池恒流充放電測試圖

(b).NCM–Al電池校正后的dQ/dV微分曲線

(c).NCM–Al電池1-10C范圍內不同倍率下的比容量測試圖

(d).NCM–Al電池1C條件下循環500次的循環性能測和庫倫效率試圖

圖6.各種儲能器件能量對比圖

LCO–Al, LFP–Al和 NCM–Al電池與其他商業化鋰離子電池能量比較圖

【小結】

該課題組小組成員創造性的設計出負極、集流體于一身的新型鋰離子電池，不僅簡化制造工藝而且降低了鋰離子電池的成本，更重要的是提高了能量密度。在儲能機理上與傳統鋰離子電池有所不同，從正極傳導過來的Li⁺在負極形成了AlLi合金，放電時合金分解釋放Li⁺。當加入VC以防止SEI膜形成時，可以獲得更長的循環壽命和更高的能量密度。當更進一步與LiNiO₂, LiMnO₂,? LiMn₂O₄等正極材料搭檔時，有望成為高能量密度低成本的新一代鋰離子電池。