文 章 信 息
利用喷雾沉积聚合物电解质将非周期性3D多孔电极集成到3D电池中
第一作者：刘欣宇
通讯作者：刘喜正* 丁轶*
单位：天津理工大学
研 究 背 景
随着电动汽车和3C电子产品的广泛普及，尤其是微型机器人、芯片和物联网(IoT)领域的快速发展，迫切需要体积更小能量密度更高的锂离子电池。提高电极中活性物质载量，制作厚电极是提升微小型电池能量密度的重要途径，但传统的二维电池受限于厚电极中缓慢地电荷转移动力学，体积能量密度和功率密度方面已接近其理论极限。得益于正负极活性材料之间的大比表面积接触和有效缩短电子、离子传输距离等方面的优势，三维（3D）电池有望在未来微型高比能储能器件领域发挥重要作用。然而，在一体化三维电池集成方面，如何在三维异构界面构建完整而均匀的电解质/隔膜有效分隔正负极，同时确保高效的离子传输仍然是一个重大挑战。
文 章 简 介
近日，天津理工大学刘喜正教授、丁轶教授团队提出了一种通过改进的喷雾沉积制备3D电解质膜的新方法。该3D电解质离子电导率为9.6 × 10−4 S cm−1，能有效地将3D多孔LiFePO4正极与锂负极隔离开来，实现了一体化非周期性3D电池的创建。3D电池的最大能量密度高达29.1 mWh cm- 2，最大功率密度为12.7 mW cm- 2。这些结果代表了所有报道的非周期性3D电池中最高的峰值功率和能量密度。利用喷雾沉积电解质技术进行三维电极分离有望在开发3D电池方面取得重大进展，并显示出巨大的实际应用潜力。
图1. 3D电池的优势与挑战。(a) 3D和2D电池对比。(b) 构建3D电池的挑战。
(c) 一体化非周期性3D电池的示意图和可能的离子/电子转移路径。
本 文 要 点
要点一：构筑3D多孔正极，搭建3D电池框架
以泡沫镍作为3D电池框架与正极集流体，通过喷雾沉积正极活性材料的方式，很好地将正极活性材料限域在3D结构中，在充分利用3D导电网络的同时保留了3D正极丰富的孔隙结构。3D正极促进了活性材料、集流体和电解质在电极表面和内部的相互作用，提高了电极氧化还原反应速率。
图2. 3D正极的形貌及3D正极半电池的电化学性能。(a) 3D正极的光学显微镜图像。(b) 3D和2D正极的Nyquist图。3D和2D正极的 (b) 循环性能和 (d) 倍率性能，正极质量负载为LFP≈13 mg cm−2。(e) LFP 载量为6.2 mg cm−2的3D正极在10C下的循环性能 (f) LFP载量为27.8 mg cm−2在0.5C下的电压分布图。
要点二：开发喷雾沉积电解质技术有效解决了在三维非规则空间上构筑电解质层的难题
开发了基于喷雾沉积技术制备电解质膜的新方法，制备得到的复合聚合物电解质 (CPE)电压稳定窗口达到 4.6V，室温离子电导率为 9.6×10-4 S cm-1，锂离子迁移数 0.48。通过在3D正极表面喷雾沉积CPE有效解决了在三维异构界面上构筑电解质层的难题，在分隔三维电极的同时，保证离子的高效传输，实现了一体化非周期性3D电池构筑。
图3. 复合聚合物电解质 (CPEs) 的制备与表征。(a) 喷雾沉积法制备CPEs的方案。(b) CPE膜的数码照片。CPE的 (c) SEM图像，(d) LSV曲线(扫描速率为10 mV s−1)。(e) CPEs在30 ~ 70℃不同温度下的离子电导率。(f) 不同CPEs的Nyquist图。(g) CPE极化前后电池的极化曲线和阻抗图(插图)。(h) 不同电流密度下CPE锂对称电池循环的电压分布图。
图4. 3D电池的制备与表征。SEM图像和EDS映射 (a) 3D电池制备过程示意图。(b) 3D正极，(c) 3D 正极@CPE, (d) 一体化非周期性3D电池横截面
要点三：利用3D电池内部正负极之间微尺度接触，缩短正负极之间离子传输路径，显著提升3D电池的离子传输动力学。
利用室温超声技术，促进锂金属在三维空间中的迁移与融入，创建正负极高比表面积紧密界面。利用3D电池内部搭建的离子电子协同传输的快速通道，显著提升3D电池中的离子传输动力学。构建的一体化3D电池在70 mg cm-2 载量下最大能量密度为29.1 mWh cm-2，在13 mg cm-2 载量下最大功率密度 12.7 mW cm-2，是目前报道的非周期性3D电池中最高的能量密度和峰值功率。
图5. 3D电池的电化学性能。(a) 3D电池OCV曲线。当LFP载量≈13 mg cm−2时，(b) Nyquist图，(c) 3D和2D电池的dQ/dV曲线比较。(d) 3D电池和 (e) 2D电池的倍率性能。f) 3D电池与2D电池利用公式2的比容量-倍率图的比较 (g) LFP载量为70 mg cm−2的3D电池在0.05C时的电压-容量曲线。(h) 1 ~ 2节串联的3D电池在0.2时的电压曲线。(i) 文献报道的3D电池，并与本文报道的结果进行比较。
文 章 链 接
Integrating Aperiodic 3D Porous Electrodes into 3D Batteries through Spray-Deposited Polymer Electrolytes
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202401330
通 讯 作 者 简 介
刘喜正教授简介：天津市特聘教授青年学者，先后主持国家自然科学基金、JKW、天津市自然科学基金等项目，在Chem., Adv. Mater.; Angew. Chem.; Fund. Res.; Adv. Energy Mater.; Adv. Funct. Mater. 等杂志目前发表SCI论文80余篇，部分论文被选为封面文章，所发表论文被引用5600余次，H-指数40，授权专利10余项。
丁轶教授简介：国家杰青，科技部中青年科技创新领军人才，“国家高层次人才特殊支持计划”科技创新领军人才，先后承担国家863计划、重大科学研究计划等二十余项科研项目。发表学术论文100余篇，被引用18000余次，个人H指数70。授权国内、国际专利60余项。
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