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    锂离子电池的负极 [同济师生在锂离子电池高容量锡基负极材料研究方面取得重要进展]

    时间:2019-06-11 18:36:48 来源:个人图书馆网 本文已影响 个人图书馆网手机站

    同济大学材料科学与工程学院、智能型新能源汽车协同创新中心车用新能源研究院,最近在锂离子电池高容量锡基负极材料的研究方面取得重要进展,博士研究生胥会及李洒老师发明了一种巧妙的“辊对辊”方法实现了锡箔负极的预锂化,该方法不仅成功抑制了锡箔负极表面严重的产气问题,将首次库伦效率从20%提升至94%,同时在全电池中实现了200次稳定循环,容量保持率高达94.5%。最终制备的Li-Sn合金负极在软包电池中的体积比容量以及倍率性能均超越目前商用石墨负极,为下一代高比能锂离子电池负极的设计提供了新思路。

    锡负极因其具备较高的理论比容量(993 mAh g-1)被广泛认为是下一代高比能锂离子电池负极材料的有力竞争者,然而严重体积膨胀和粉化常常导致活性物质从集流体上脱落,导致电池快速失效。而自支撑的锡片负极具备良好的延展性和导电性,无需集流体、导电剂、粘结剂等非活性物质,在极大发挥锡负极高能量密度的同时又能克服从集流体上脱落的问题。然而,研究人员发现锡箔负极的首次库伦效率只有10~20%,这意味着正极80%的锂离子在第一次循环后就已经消耗殆尽。研究人员通过多种表征手段证实了低库伦效率的原因是锡箔催化电解液分解导致了严重的产气现象。气体的产生一方面切断了锂离子运输的通道,另一方面又不断破坏负极表面已经生成的SEI,导致电解液持续的分解。研究人员通过对电解液分解产物的定性、定量分析,发现当锡片负极的真实电位低于1 V vs Li/Li+时,有害的产气现象会得到抑制。因此,研究人员发明了一种极其简单高效的机械预锂化方法降低材料的绝对电位,从而在循环过程中避开电解液分解产气的电位。产气现象得到抑制后,研究人员将Li-Sn合金箔与商用的磷酸铁锂正极(~2.65 mAh cm-2)匹配组装全电池,电池的首次库伦效率显著提升至94%,能够稳定循环200圈以上。在软包电池中负极的比容量高达~650 mAh cm-3,高于石墨的500 mAh cm-3。值得一提的是,制备的锂-锡合金负极具备一定的空气稳定性,即便在潮湿的空气中放置12小时,依然能保持良好的性能。更重要的是,该预锂化方法只需简单的物理辊压,操作极为简单,并且已经成功用在铝箔负极和硅碳负极的预锂化中,这些优点为实际工业应用提供了可能。 

    该研究成果以论文形式于2019年6月3日发表在英国皇家化学学会能源类著名期刊《Energy Environmental Science》(影响因子30.067)上,论文题目为“Roll-to-roll prelithiation of Sn foil anode suppresses gassing and enables stable full-cell cycling of lithium ion batteries”该论文的第一作者是同济大学博士研究生胥会,同济大学助理教授李洒(共同一作),黄云辉教授以及麻省理工学院的李巨教授为论文的共同通讯作者。

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