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金属电极电池研究综述文章-中国科学院深圳先进技术研究院
2017-09-12 08:16   审核人:

近日,中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究员(通讯作者)及其团队成员王蒙博士(第一作者)等在能源材料顶级期刊Advanced Energy Materials上发表综述,评述了廉价金属在新型电池体系中的反应机理、优势、挑战及最新研究进展(Low-Cost Metallic Anode Materials for High Performance Rechargeable Batteries, Adv. Energy Mater. 2017, 201700536, IF:16.721)。

传统的锂离子电池由于石墨负极的理论比容量仅为372 mAh/g,很难获得高能量密度。廉价金属如铝的理论比容量高达2234 mAh/g (Li9Al4),且压实密度高,能显著提高电池的能量密度。鉴于此,唐永炳研究员团队创新性的提出一种一体化电极的设计思路,以廉价、环保且储量丰富的铝箔同时作为负极活性材料和集流体,与传统正极材料(钴酸锂、磷酸铁锂、三元)构建了新型电池体系(Adv. Mater. 2016, 29, 1604219; PCT/CN2016/081346),从而将传统锂电能量密度提升30%以上。此外,这种新型电池技术还省略了传统锂电中石墨负极材料、负极铜箔集流体,以及石墨负极的调浆、涂布、辊压等工艺流程,成本将降低30%以上。团队还进一步构筑了一种新型高效低成本的铝-石墨双离子电池技术(Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1502588; PCT/2015/09996)。该电池体系采用廉价且环保的铝箔和石墨分别作为负极和正极材料,省去了钴酸锂等传统正极材料,电池更为环保且回收容易,成本比传统锂电降低40%以上,且平均工作电压高达4.2 V,显著提升了电池能量密度。

团队后续为提高铝负极在新型电池中的稳定性,对其进行了结构和界面的调控,分别研发出三维多孔铝/碳负极(Adv. Mater., 2016, 28, 9979,PCT/CN2016/081344;PCT/CN2016/081345),具有中空界面结构的铝负极(Adv. Mater., 2017, 29, 1606805.),碳包覆的纳米铝负极(Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1701967),活性材料/集流体/隔膜一体化的多功能电极(Adv. Funct. Mater., 2017, 1703035; PCT/CN2017/078204),以及超高倍率性能的一体化柔性电池(Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1700913; PCT/CN2017/078205)。经过系统的优化改性,基于铝负极的新型电池技术获得了优异的电化学性能:如高能量密度(300 Wh/kg),长循环性能(2 C倍率循环1500圈后,容量保持率为~99%),超高倍率性能(30秒充放电速率下,容量保持90%)。

此外,团队还将一体化设计的新思路拓展到了其他碱金属离子电池体系,成功研发出了成本更低,且不依赖于有限锂矿资源的环保型钠基双离子电池(Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1601963; PCT/CN2015/099967)和钾基双离子电池(Adv. Mater., 2017, 29, 1700519;Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1700920,PCT/CN2017/074632),通过对电池体系的初步优化,其能量密度可比甚至优异多数传统锂电。

目前,团队基于上述技术已申请发明专利39项,PCT专利21项、中国发明专利18项,并成功完成了技术转移孵化,建成的圆柱、软包、方壳电池中试产线已顺利完成验收。

论文链接

Yongbing Tang recevied his Ph.D. from the Institute of Metal Research (IMR), Chinese Academy of Sciences (CAS) in 2007. He worked as research fellow at the City University Hong Kong from 2007 to 2013. Now, he is a professor in Shenzhen Institutes of Advanced Technology (SIAT), CAS. His research interests include controllable synthesis of nanomaterials and functional thin films for various applications such as energy and device applications.

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