王超研究员、黄云辉教授，AFM：液态金属作为正极导电剂提升电池体积能量密度及稳定性- 大数跨境

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王超研究员、黄云辉教授，AFM：液态金属作为正极导电剂提升电池体积能量密度及稳定性

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2024-07-16

导读：王超研究员、黄云辉教授， Advanced Functional Materials：液态金属作为正极导电剂提升电池体积能量密度及稳定性

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文章信息

用液态金属作导电剂提升LFP电池的体积能量密度

第一作者：朱仁杰，刘淦雄

通讯作者：王超*，黄云辉*

单位：同济大学，华中科技大学

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研究背景

目前，导电炭黑作为电极的主要导电剂被广泛应用。尽管其具有良好的电子导电性，但会导致电极孔隙率增加，给电极压实带来挑战，并加剧电池的副反应，特别是在高温或高电压条件下。因此，有必要用新型导电剂取代传统的导电炭黑，以实现电极的压实，并在高温下提高电池的稳定性。本篇文章证明了纳米级液态金属颗粒可以用作LFP正极导电剂以大幅提升正极压实程度，进而获得高体积能量密度电池，同时对比了高温下使用液态金属与导电炭黑作为导电剂的电池的电化学性能。本文有助于推动高体积能量密度LFP电池的研究及液态金属在电池中的应用。

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文章简介

近日，来自同济大学的王超研究员与华中科技大学的黄云辉教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Enhancing Volumetric Energy Density of LiFePO4 Battery Using Liquid Metal as Conductive Agent”的文章。该文章证明了液态金属GaIn用作LFP正极导电剂可以提升电池体积能量密度及稳定性，并且将其应用于聚合物固态电池中。

图1. 使用液态金属作为导电剂的电池体积能量密度及稳定性明显提升。

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本文要点

要点一：液态金属制备及应用

为了保证液态金属均匀分散于电极中，研究人员采用两种方法制备了微米级及纳米级液态金属颗粒。根据标准氧化还原电位，液态金属在LFP正极可能会发生氧化。因此研究人员通过在空气中加热以达到钝化的目的，然后对比了含有两种不同粒径的液态金属颗粒的LFP电极的电化学性能。结果表明，钝化后的微米级液态金属在LFP电池的首次充电过程中出现了明显的氧化现象，放电后沉积在锂金属负极表面，使得导电剂失效，导致电池放电比容量明显下降。而钝化后的纳米级液态金属的抗氧化能力明显强于微米级液态金属，其所对应的LFP电极（LFP@nGaIn）在工作电压区间内保持稳定，与普通的LFP电池（LFP@SP）基本一致。

要点二：液态金属与锂盐保证高体积能量密度LFP电池

本工作中对比了以纳米液态金属GaIn颗粒为导电剂的LFP@nGaIn电极与以导电炭黑Super P为导电剂的LFP@SP电极在相同载量下的截面及表面形貌，并测试了各自的电极厚度。结果表明，替换导电剂后，LFP电极孔隙率明显下降，厚度大幅减少，结构更加致密。另外，研究人员观察到LFP@nGaIn电极相比于LFP@SP电极初始放电比容量显著下降，随循环进行才能逐渐恢复至正常水平，展现出较长时间的活化现象。这是由于低孔隙率导致电极的锂离子电导率较低，同时抑制了电解液对电极的渗透，而随循环进行电解液逐渐渗透电极，电极中的离子传输速度增加，电极的比容量也逐渐增加。因此，为了增强电极自身的离子电导率，研究人员参考聚合物固态电解质，采用PVDF-HFP+LiTFSI作为电极粘结剂，使得LFP@nGaIn电池在5C时放电比容量仍能保持在95 mAh g^-1。最终，与LFP@SP电极相比，LFP@nGaIn电极的孔隙率从36.6%下降到19.1%，压实密度从2.05 g cm^-3增加到2.80 g cm^-3，体积能量密度从约768.0 Wh L^-1增加至927.1 Wh L^-1。

要点三：LFP@nGaIn电池高温电化学性能优于LFP@SP电池

本工作还比较了LFP@nGaIn和LFP@SP电池在高温下的电化学性能。研究表明LFP@nGaIn电池相比于LFP@SP电池在高温下循环更加稳定，同样循环次数下的容量保持率也更高。且为了更细致对比二者高温下副反应程度，研究人员还使用计时电流法对比了两种电池的副反应电流，证明随温度上升LFP@SP电池副反应电流明显上升，而LFP@nGaIn电池基本不变。研究人员还将nGaIn引入到固态电池中以改善电极与电解质之间的界面接触，对比了使用不同导电剂的固态电池的循环性能。结果表明，LFP@nGaIn相比于LFP@SP固态电池电极与电解质之间的界面阻抗更小，在循环过程中更加稳定，循环寿命也更长。

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文章链接

Enhancing Volumetric Energy Density of LiFePO4 Battery Using Liquid Metal as Conductive Agent

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.20240923

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通讯作者简介

王超研究员简介：上海市海外高层次人才“特聘专家”，上海市浦江人才计划获得者。博士导师为黄云辉教授，毕业后在麻省理工学院李巨教授组从事博士后研究，2021年入职同济大学材料科学与工程学院，特聘研究员、博导，主持国家自然基金青年基金，参与国家自然科学基金委员会重点研发项目一项。在Adv. Mater，Energy. Environ. Sci.，Adv. Energy Mater等期刊上发表论文57余篇，论文总引用8000余次，5篇入选ESI高被引论文，获批PCT专利一项，申请中国专利6项。