无集流体电池实现超高能量密度锂电池AEM

锂电联盟会长 2024-11-26 09:00

如何应对供应风险和挑战，在行业竞争中赢得先机？ 精密双向电流感应放大器设计方案

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人们正在努力开发高性能电池材料，特别是活性材料。然而，提高能量密度的材料依赖策略面临着原材料成本和供应限制等挑战，在一定程度上降低了它们的通用性。在这方面，开发高效的电池设计可以成为提高锂离子电池能量密度的通用方法，同时对材料性能的依赖性相对较低。本文提出了一种新的电极-隔膜结构，将电极层直接涂覆在隔膜上，通过去除大电流集流体来实现锂离子电池的轻量化。即使在疏水隔膜上，聚乙烯醇粘合剂也可以通过与隔膜表面的分子相互作用，使水电极浆料的涂层均匀且可扩展。此外，碳纳米管被用来加强电极的电子传导，提供一致的电子路径，无论SEI形成。此外，由于液体电解质通过该电极-隔膜具有优异的渗透性，因此可以建议多层电极-隔膜与锂金属阳极结合时进一步提高能量密度。这种锂金属电池的面容量可以达到约30mAh/cm2，与传统电池配置相比，能量密度提高了20%以上。该论文以Separator-Supported Electrode Configuration for Ultra-High Energy Density Lithium Secondary Battery为题，发表在Advanced Energy Materials。

【创新点】

1、无金属集流体的电极-隔膜结构

文章提出了一种新型的电极-隔膜组装配置，其中电极层直接涂覆在隔膜上，省去了重的金属集流体。这种设计不仅减轻了电池重量，还提高了能量密度。通过使用聚乙烯醇（PVA）作为粘合剂，即使在疏水隔膜上也能实现水性电极浆料的均匀涂覆。

2、碳纳米管增强电子传导

为了弥补无金属集流体可能带来的电子传输性能下降，研究者们在电极中加入了碳纳米管（CNTs），以增强电子传导。这种高纵横比的导电剂不仅提高了电极的导电性，还确保了即使在固体电解质界面（SEI）形成后，电子传导路径依然保持畅通。

3、多层电极-隔膜组装提高能量密度

文章还提出了一种多层电极-隔膜组装的概念，通过增加每层的面积容量，进一步增加了电池的能量密度。这种设计不仅提高了电池的容量，还为电池的回收和电化学反应的原位分析提供了新的可能性。

【图文介绍】

图1：无金属集流体电池设计概念

该图展示了一种创新的电池设计，其中电极层直接涂覆在隔膜上，以去除重的金属集流体，从而实现更轻量化的锂离子电池设计。图中比较了传统水性电极浆料在疏水隔膜上的不良涂覆效果，以及通过添加聚乙烯醇（PVA）粘合剂后实现的均匀涂覆效果，并通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）图像展示了石墨电极在隔膜上的均匀共形涂覆。

图2：PVA与隔膜表面相互作用的分子动力学模拟

这组图通过分子动力学模拟揭示了聚乙烯醇（PVA）分子在隔膜表面的排列和相互作用，解释了PVA如何通过其分子结构与隔膜表面形成相互作用，从而促进水性浆料的均匀分布。模拟结果表明，PVA的-CH基团倾向于与隔膜形成疏水相互作用，而-OH基团则因亲水性而朝向水相，这种协同效应使得PVA能够在疏水表面上促进水性浆料的均匀分布。

图3：电子导电性和粘附强度的系统比较

该图系统比较了不同电极组成对电子导电性和粘附强度的影响。通过对比含有碳黑（CB3）和碳纳米管（CNT1）的石墨电极的充放电性能和循环稳定性，强调了高纵横比导电剂在提高电极导电性和保持电子传导路径中的重要性。图中还展示了循环后电极的形态变化，说明了不同导电剂对电极稳定性的影响。

图4：电极-隔膜组装的电化学性能比较

这组图比较了涂覆在金属箔和隔膜上的电极的电化学性能，包括充放电电压曲线、循环性能和能量密度。结果表明，隔膜支持的电极在能量密度和循环稳定性上表现出色，尤其是当正负极都涂覆在隔膜上时，能量密度得到了显著提升。

图5：多层电极-隔膜组装的概念和性能

该图介绍了多层电极-隔膜组装的概念，通过增加层数来提高电池的能量密度。图中展示了不同层数的电极-隔膜组装的充放电性能和循环性能，以及使用锂金属作为负极的多层电极-隔膜组装的充放电性能和能量密度分析，展示了这种设计在提高电池能量密度方面的潜力。

图6：热稳定性和电化学反应分析

这组图展示了电极-隔膜组装在不同温度下的热稳定性，以及如何利用电极-隔膜组装的开放结构进行电化学反应的原位分析。图中的照片和示意图说明了电极-隔膜组装在高温下的形态保持能力，以及通过实时光学显微镜观察石墨电极在充放电过程中的颜色变化，从而分析其电化学反应的均匀性。

【结论】

这篇文章介绍了一种新型的电极-隔膜组装结构，用于提高锂离子电池的能量密度。通过在隔膜上直接涂覆电极层以去除传统的重金属集流体，结合使用聚乙烯醇粘合剂和碳纳米管来增强电子传导，该研究成功实现了电池的轻量化和性能提升。此外，通过多层电极-隔膜组装的设计，文章还展示了如何进一步增加电池的面积容量和能量密度。这项工作不仅为电池设计提供了新的思路，还为电池材料的回收和电化学反应的原位分析提供了新的方法。

文献来源：https://doi.org/10.1002/aenm.202403655

这篇文章不仅为我们提供了一种新的电池设计思路，还通过实验验证了其可行性和优越性。随着这些创新点的进一步发展，我们有理由相信，未来的锂电池将更加高效、环保。

锂电联盟会长向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿，请联系：邮箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。

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