中科院金属所李峰研究员Adv. Sci.： 超稳定界面促
中科院金属所李峰研究员Adv. Sci.： 超稳定界面促进柔性锂离子电池的无阻碍电荷转移和离子扩散
2022-02-22 08:30 来源: 藏书老王
原标题：中科院金属所李峰研究员Adv. Sci.： 超稳定界面促进柔性锂离子电池的无阻碍电荷转移和离子扩散
创新点：中国科学院金属研究所李峰团队通过对电极结构的整体设计和关键界面的调控，获得了具有超稳定界面的碳基柔性电极，实现了柔性锂离子电池中高效电荷转移和离子传输，使电池内各组分间的界面及活性物质间的电阻显著降低，从而展现出优异的电化学性能和机械稳定性。
关键词：柔性电池，界面调控，整体电极，锂离子电池
随着近年来柔性电子器件的飞速发展，一般的锂离子电池已无法满足应用的需求，可拉伸、可弯折的柔性电池成为锂离子电池的一个重要发展方向。目前，柔性电池性能的衰减主要是由电池内部各组分，在变形条件下，发生相互脱离，体现在界面处失去有效的接触。在锂离子电池中，活性物质层与集流体间界面、活性物质层与隔膜/电解质间界面及活性物质颗粒间界面，是最为核心的三个界面。因此，保证这些界面的稳定接触，是实现柔性电池在动态变形条件下，结构和电化学稳定性的关键。
近日，中国科学院金属研究所李峰团队通过对电极结构的整体设计和电池关键界面的调控，获得了具有超稳定界面接触的碳基柔性电极，实现了柔性锂离子电池中高效电荷转移和离子传输，使电池内各组分间的界面及活性物质间电阻都得以显著降低，从而展现出优异的电化学性能和机械稳定性。相关结果在线发表在 Advanced Science 上。
该工作首先通过氧等离子体对隔膜表面处理，再直接涂覆电极浆料的方式来改善活性物质与隔膜间的界面接触，通过在电极表面高速离心喷涂碳纳米管溶液，原位形成均匀致密的碳管膜集流体，从而加强了活性物质与集流体间的界面接触。同时，利用单壁碳纳米管的高导电、轻质和特殊的一维结构，构建电极内部的交联导电网络，改善了活性物质颗粒间的界面接触。通过上述界面调控和整体结构设计，获得了具有超稳定界面接触的碳基柔性电极，使活性电极内部及界面处的电子、离子传输都得以显著增强，从而表现出优异的电化学性能。
图 1. 电极制备过程示意图. a) 制备过程. b-d)电极的宏观结构和SEM微观形貌 b) 电极截面, c) 隔膜面和 d) 碳纳米管集流体面. e-f)电极截面及活性物质层内部的X射线三维成像.
为深入理解电极的结构与界面，在变形条件下，结构和电化学性能的影响，开展了弯折稳定性实验。通过5000次弯折后电极微观形貌的观察发现，界面和整体结构可使电极的结构稳定性显著增强，在反复变形条件下，无裂纹产生。而作为对照组的以铝箔为集流体的电极，则出现了裂纹。同时，观察到含少量碳管作为导电剂的铝箔集流体电极（LTO-SWCNT-Al）出现了微裂纹，但在所形成的微裂纹间存在大量细密的碳管桥连，因而可维持一定的导电连接，降低极化。对上述弯折后电极的电化学阻抗和充放电测试的结果表明，稳定的界面和结构可使界面电荷转移电阻得到良好的保持，并可确保高效的离子扩散，使弯折后电极的极化显著降低，因而展现出优异的循环稳定性。
图 2. 5000次弯折后的微观形貌. a, d) LTO电极, b, e) LTO-SWCNT-Al 电极和 c, f) LTO-SP-Al 电极. g) EIS 曲线, h) 低频区 Z re 和ω −1/2 间关联曲线， i) 三组电极弯折后Li + 扩散系数的比较. j) 1C下三组电极弯折后充放电曲线及k) 不同倍率下的极化比较. l) 弯折后三组电极的循环性能对比.
利用所制备的柔性电极组装成的全电池展现出了极佳的倍率性能，以PDMS膜为封装材料的柔性电池，可在反复弯折变形条件下正常工作，以铝塑膜为封装材料组装的柔性电池，更可在多种极端变形条件下稳定工作。
WILEY
论文信息：
Ultrastable Interfacial Contacts Enabling Unimpeded Charge Transfer and Ion Diffusion in Flexible Lithium-Ion Batteries
Ying Shi, Zhenxing Wang, Lei Wen, Songfeng Pei, Ke Chen, Hucheng Li, Hui-Ming Cheng, Feng Li*
Advanced Science
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期刊简介
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