深圳先进院研发出多功能型的高效电池电极材料
近日，中国科学院深圳先进技术研究院功能薄膜材料研究中心研究员唐永炳及其研究团队成功研发出了一种具有集流体、负极活性材料、隔膜三重功能的一体化电极，并成功应用于高效、低成本的双离子电池。这种新型结构有效解决了金属负极材料在充放电过程中的体积变化剧烈、循环性能较差的问题，并有利于简化电池生产工艺，增加电池能量密度。相关研究成果Multifunctional Electrode Design Consisting of 3D Porous Separator Modulated with Patterned Anode for High-Performance Dual-Ion Batteries（《一种包含有三维多孔隔膜和金属负极的多功能电极设计及其在高效双离子电池中的应用》）已在线发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials，DOI: 10.1002/adfm.201703035）上。
随着便携式电子设备和电动交通工具市场的快速发展，人们对于高能量密度、低成本二次电池的需求日益迫切。目前，商用锂离子电池多采用石墨类负极材料，其理论比容量仅为372 mAh g-1，且压实密度较低，限制了锂离子电池能量密度的进一步提升。通过与锂离子的合金化/去合金化反应，金属负极通常具有更大的比容量，有望获得更高的能量密度。以金属铝为例，其理论比容量高达2234 mAh g-1（Li9Al4），且储量丰富，价格低廉。然而，铝负极在电池反应过程中会产生一定的体积膨胀，从而影响电池的循环稳定性。为了改善这一现状，研究工作者对金属负极采取了纳米结构设计、合金构建、复合材料构建等多种修饰方法。然而，基于电池结构方面的改进策略还鲜有报道。
基于上述考虑，唐永炳及其团队成员张松全、王蒙、周志明等成功研发出了一种具有集流体、负极活性材料、隔膜三重功能的多功能电极，并将其应用于新型高效、低成本的双离子电池。该电极包含三维多孔聚合物层与具有图案的金属铝箔层两大组成部分，此结构设计可使一体化电极获得优秀的吸液、保液能力，并可有效缓解金属负极在电化学反应过程中的体积变化及开裂粉化问题。此外，多功能电极设计还有效提升了负极活性材料占比，简化了电池制造工序，降低了制造成本。基于多功能电极材料的双离子电池展现出优异的电化学性能：如高工作电压（平均放电电压可达4.2 V），长循环性能（1000 次循环，容量保持率为92.4%），高能量密度（在10 C充放电速率下能量密度高达158 Wh kg-1）。该研究成果对高容量、低成本金属负极的开发具有指导意义，有望促进基于金属负极的二次锂离子电池的产业化应用。
(a) 多功能电极的合成过程示意图；(b)双离子软包电池点亮两个黄色LED灯；(c) 所制备双离子电池的循环稳定性测试
