米兰体育官方入口南科大邓永红许晓雄教授港理工郑子剑教授等《AM》：双极织物固态锂

2024-08-10 22:02:53

　　米兰体育app下载智能柔性可穿戴电子设备对于电源的供电电压需求越来越高，使用电解液的传统锂离子电池存在明显的安全隐患。而且传统的锂离子电池的输出电压大约为3.5-3.7V，较高的输出电压一般是通过将单一的电池封装之后，依靠外部的导线连接实现的。相比较而言，固态锂金属电池具有更好的安全性以及更高的能量密度。并且基于固态电解质非流动的特性，可以通过内部串联的结构来实现电压的升高。内部串联的结构不仅可以降低电池的阻抗，提升电化学性能及电池的能量密度，还可以节省包装材料，降低制作成本。但是目前商用的铝箔与锂金属存在严重的合金化反应，并且其较低的应变限制了其在柔性可穿戴电子设备中的应用。

　　针对以上问题，南方科技大学邓永红教授,许晓雄教授联合香港理工大学郑子剑教授开发了一种双极织物复合电极（BTCE）,并用该双极电极组装了柔性,高压的固态锂金属电池。BTCE电极主要由镍金属包覆的聚对苯二甲酸乙二醇酯织物（NiPET）层、涂在NiPET一侧的磷酸铁锂（LFP）正极和涂在NiPET另一侧的锂金属负极组成。BTCE基SSLMB可以通过需求电压堆叠不同层数的BTCE来实现不同的输出电压（6-12 V）。与传统的外部串联的电池结构相比米兰体育官方入口，BTCE基SSLMB不仅展示出较高的能量密度，还表现出较低的界面阻抗与极化电压，并进一步提高了电池的循环稳定性。在6 V的电池体系中，BTCE基的SSLMB的组装材料重量比降低了43.63%，体积比降低了52.96%。并且其在循环230圈之后容量保持率高达97.11%。更重要的是，BTCE基SSLMB具有优异的柔性：在7000次弯曲循环后仍具有99.92%的库伦效率及近100%的容量保持率。BTCE基SSLMB为未来用于各种柔性和可穿戴电子设备的安全、高能量密度和柔性SSLMB带来了巨大希望。该研究以“Bipolar Textile Composite Electrodes Enabling Flexible Tandem Solid-State Lithium Metal Batteries”为题发表在《Advanced Materials》上。

　　BTCE电极的优势主要体现在以下几方面：1.双极电池去除了外部导线的电阻，并进一步降低电池的极化电压；2.在电池充放电过程中电子的传输路径大大缩短；3.双极电池能够避免由于局部过热导致的安全隐患；4. 双极电池的能量密度大大提高，质量能量密度由197.6 Wh kg−1增加到了285.7 Wh kg−1，体积能量密度由394.5 Wh L−1增加到了676.8 Wh L−1 （以385 Wh kg-1的Li//NCA软包电池为例）

　　图1.双极电池的设计原理. (a-b) 分别采用外部串联或双极电极的SSLMB. （c-d）两种电池结构中各组分的质量分数与体积分数。（e）基于文献报道的385 Wh kg-1的Li//NCA软包电池的数据比较两种电池结构的能量密度。

　　制备双极电极的关键在于找到同时与锂金属负极和氧化物正极兼容的集流体。基于此，NiPET是一种很合适的集流体，其不仅表现出较宽的电化学窗口（4.5 V），还具有优异的柔性。BTCE电极的制备过程如下：首先采用聚合物辅助的方法在PET表面均匀沉积一层镍金属得到NiPET金属织物，然后在其一侧采用刮涂的方法制备磷酸铁锂（LFP）正极，最后在NiPET另一侧采用辊压的方法贴上锂金属负极。这个方法简便且适合大规模制备。BTCE电极与锂金属以及LFP正极具有极好的化学稳定性，并且展示出很好的柔性，在曲率半径5.0 mm弯曲10000圈过程中电阻保持不变，而且锂金属负极和LFP正极表面结构稳定。

　　图2. BTCE电极的制备与表征。（a）BTCE电极的制备过程。（b-c）BTCE电极的宏观实物图与截面SEM图。（d）NiPET金属织物的线性扫描伏安曲线。（e）锂金属负极与NiPET金属织物贴合24小时前后的XRD曲线。（f）NiPET金属织物与BTCE电极在10000次弯曲循环过程中电阻的变化。（g-h）BTCE电极中锂金属与LFP层在10000次弯曲循环后的SEM图。

　　BTCE基SSLMB具有较为紧密的电池结构。与外部串联的结构相比具有较低的本体阻抗和界面阻抗，其极化电压也明显有所降低（由0.582V降低到0.517V）。BTCE基SSLMB在0.2 C，0.5 C及1.0 C时的放电容量分别为156.44,152.93和 138.84 mAh g-1。与外部串联的SSLMB相比，BTCE基SSLMB展示出较为稳定的循环性能，在循环230圈之后容量保持率高达97.11%，远远高于外部串联电池在60圈之后46.12%的容量保持率。采用BTCE电极还可以根据电压需求组装6 V, 9 V和12 V的高压SSLMB。

　　图3. BTCE基SSLMB的结构与电化学性能表征。（a）两层BTCE基SSLMB的结构与SEM截面图。（b）BTCE基与外部串联SSLMB的本体阻抗与界面阻抗的比较。（c-d）BTCE基与外部串联SSLMB的循环伏安（CV）曲线。（e-f）BTCE基与外部串联SSLMB的倍率及循环性能。（g）BTCE基SSLMB与文献报道中采用其他双极电极的SSLMB的循环性能比较。（h）采用BTCE电极组装的6 V，9 V和12 V的高电压SSLMB。

　　BTCE电极中的NiPET赋予了BTCE基SSLMB较好的柔性。BTCE基软包电池在200圈弯曲循环后容量有所增加，这主要归因于其界面接触更为紧密。在弯曲循环7000圈之后容量基本没有衰减，与弯曲测试之前的放电容量基本持平。在曲率半径5.0 mm弯曲循环过程中，其充放电曲线没有电压波动，说明该BTCE基电池在实际使用过程中具有很好的电压稳定性。采用更小的曲率半径4.0 mm, 2.0 mm甚至完全折叠弯曲循环200次之后其电池充放电依然保持稳定。

　　图4. BTCE基软包电池的表征。 (a) BTCE基软包电池在弯曲循环200次前后的放电循环曲线。（b-c）BTCE基软包电池在弯曲循环7000次过程中电池在不同弯曲圈数的放电容量曲线。（d）BTCE基软包电池在平整静置状态以及动态弯曲过程中开路电压的变化。（e）BTCE基软包电池在动态循环过程中电池充放电曲线。（f）采用更小的曲率半径（4.0 mm, 2.0 mm或完全折叠）弯曲过程中电池充放电曲线 V的软包电池点亮LED灯板的演示。

　　总结：我们首次报道了一种柔性双极织物电极（BTCE）。该BTCE电极展示出了良好的稳定性以及机械柔性。采用该BTCE电极组装的SSLMB不仅可以降低电池的界面电阻与极化电压，提高电池性能并进一步提高电池能量密度，还可以减少包装材料的使用，降低电池的制备成本。值得注意的是，BTCE基SSLMB表现出优异的电池性能，在数百次循环过程中平均容量保持率高达99.98%，并且在上千次弯曲循环测试，电化学性能没有衰减，因此，基于BTCE的高压SSLMB在柔性可穿戴电子产品中具有很好的应用前景。