环境检测招标:基本新型三维多孔层状集流体提升锂离子电池储能性能

发布时间:2020-03-13 14:12:29 编辑:兴山县念薇环境检测认证所
基本新型三维多孔层状集流体提升锂离子电池储能性能 引言

电化学储能设备对于现代人的日常生活来说是十分关键的。在诸多种类的电化学储能设备中,锂离子电池具有最广泛的应用领域。一般来说,锂离子电池包括正极、负极、液态有机电解质、聚合物微孔隔膜和一对电极集流体。自锂离子电池的概念被提出以来40余年的时间内,大量着眼于基础理论或实验应用的相关研究陆续见诸文献报道。这些研究成果绝大部分是关于正极负极活性材料、电解质和隔膜的,然而电极集流体作为一个不可或缺的重要组分,关于其的系统研究却鲜见于各类文献中。目前,对锂离子电池的电极的实验室和工业制备绝大部分采用传统的金属箔作为集流体,配以粉状的活性材料加上碳黑和聚合物粘接剂所混合而成的浆料加以表面涂覆。这种技术具有简便易行和成本低廉的特点。但另一方面,这种在平整金属箔上涂覆浆料的方式仍具有诸如低比表面积、活性材料容易集聚、长时间循环之后容易脱落等缺点。为解决这些问题,近年来,采用三维多孔层状集流体来替代传统平整金属箔集流体的新型设计思路开始逐步尝试应用到锂离子电池的研究中。再结合使用无粘接剂的活性材料沉积生长等方式,锂离子电池的电化学性能会得到显著提升。

近日,美国德州A&M大学(Texas A&M University) 机械工程系及材料科学与工程系Oscar S. Wyatt Jr. 冠名教授梁虹博士(Dr. Hong Liang)研究团队在Wiley知名期刊Small Methods上在线发表了题为“Three-dimensional Current Collectors for Lithium-ion Batteries: A Topical Review”的长篇综述文章,德州A&M大学材料科学与工程系博士生岳源(Yuan Yue)为第一作者。该综述基于全面提升锂离子电池电极储能性能的迫切需求,对最近若干年新出现的三维结构多孔层状电极集流体进行了系统全面的研究和分析。在对50余篇相关文献的综合调研分析之后,发现在使用三维结构多孔层状集流体之后,锂离子电池的电化学性能会有显著提升。这一效应对于无粘接剂的电极尤为明显。

基本新型三维多孔层状集流体提升锂离子电池储能性能

图文简介

图1:锂离子电池电极活性材料与集流体结合的四种不同类型。

基本新型三维多孔层状集流体提升锂离子电池储能性能

图2:对金属基和碳基三维多孔层状电极集流体的电池性能提升效应的统计比较分析。图中可见最佳性能提升区间所呈现出的倾斜带状区域。

基本新型三维多孔层状集流体提升锂离子电池储能性能

图3:对泡沫状和纤维状三维多孔层状电极集流体的电池性能提升效应的统计比较分析。图中可见最佳性能提升区间所呈现出的倾斜带状区域。

基本新型三维多孔层状集流体提升锂离子电池储能性能

图4:基于上述统计分析结果,本综述所提出的三维多孔层状电极集流体的两种理想结构。

基本新型三维多孔层状集流体提升锂离子电池储能性能

总结与展望

本综述系统总结并提出了一系列衡量三维结构多孔层状集流体对电池性能提升作用的统计方法和表征参数。此项研究的最大亮点在于通过总结和分析处理,提出了一整套针对新型三维结构多孔层状集流体的设计策略,为今后新型高性能锂离子电池电极的设计和制备提供了一个有效可行的新思路。主要思路有以下几点:(1) 新型三维多孔集流体应采用高导电性和低密度的材料(譬如石墨烯、碳纤维碳的微纳米结构)以提升电池总体的比容量;(2) 新型三维多孔集流体应使用沉积生长等无粘接剂的方式来负载活性材料,这有利于多孔结构的有效保持和长循环稳定性;(3) 总的来说,新型三维多孔集流体不宜使用具有无规则孔径形状和尺寸分布的泡沫状多孔材料,其主要缺点在于过大的孔径尺寸、孔隙度和无规则的空隙分布和取向。这些都不利于提升电池储能性能;(4) 新型三维多孔集流体应具有孔径大小适中、孔径方向平行并三维正交的结构特点。基于上述设计思路,作者认为设计出新型三维多孔集流体对于下一代电化学储能设备的性能提升具有深远的指导意义。

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