北大/北航 AEM: 构造高效的离子、电子导通网络实现锂离子电池高载量电极中的去极化- 大数跨境

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北大/北航 AEM: 构造高效的离子、电子导通网络实现锂离子电池高载量电极中的去极化

科学材料站

2021-04-28

导读：该工作中使用低含量的非活性物质成分，在高载量电极中构造了高效的电子/离子导通网络，显著地提升了锂离子电池高载量电极的电化学性能。

文章信息

构造高效的离子、电子导通网络实现高载量电极中的去极化。

第一作者：杨凯、杨卢奕、王子剑

通讯作者：潘锋*，杨世春*，刘新华*

单位：北京大学新材料学院，北京航空航天大学交通科学与工程学院

研究背景

为满足移动电子设备和新能源汽车日益增长的高能量/功率密度的需求，使用低含量的非活性成分(集流体、导电碳和粘结剂)的高面载量、高容量电极已引起人们的广泛关注。

随着电极厚度、活性物质载量的增加，电极中缓慢的离子、电子传输制约了厚电极的性能的发挥。导向结构的电极可以减少电极结构中的曲折度从而提升厚电极中的离子传导，如何使用低活性成分来构造兼顾机械性能稳定、离子/电子高效传递的高载量电极成为了一大挑战。

文章简介

基于此，来自北京大学新材料学院的潘锋教授与北京航空航天大学交通科学与工程学院的杨世春教授、刘新华助理教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Constructing a Highly Efficient Aligned Conductive Network to Facilitate Depolarized High‐Areal‐Capacity Electrodes in Li‐Ion Batteries”的实验性文章。

该工作中使用低含量的非活性物质成分，在高载量电极中构造了高效的电子/离子导通网络，显著地提升了锂离子电池高载量电极的电化学性能。

图1. 厚电极的结构设计以及粘接剂分子间的微观相互作用。

本文要点

要点一：高效电子、离子导通网络的设计

文章中使用的生物胶（黄原胶和魔芋胶）发生交联，并能够与带有官能团的碳纳米管产生极性相互作用。同时使用冰模板的方式（冻干技术）在电极结构中制造了导向结构（如图1所示）。

在导向结构电极中，三元正极材料颗粒镶嵌在生物胶形成的“web”中，同时碳纳米管均匀地分散在正极材料颗粒表面和生物胶“web”中。

相比于传统的涂布、溶剂挥发方法制造的堆叠式电极结构，本文中所形成的导向结构电极具有分布均匀的孔隙率（图2）、并极大地降低了曲折度，有利于电解液的渗透以及电解液和电极材料表面的离子交换。当面载量为50 mg cm-2时，导向结构电极可以以0.5 C的较高的倍率进行稳定循环（图3）。

图2. 导向结构和堆叠结构中的孔隙分布。

要点二：粘结剂的分子间作用提供稳定的电极结构支撑

生物胶之间的交联相互作用为导向电极结构提供了稳定的机械支撑，当电极的面载量提升到200 mg cm-2以上时仍能够保持导向结构的稳定性，并能进行正常的充放电、提升面容量。

图3 高载量三元正极材料导向结构的电化学循环性能。

要点三：良好的电化学稳定性支持多种电极材料的使用

本文中发展的电极制备方法不仅适用于三元正极材料，同样能被应用到石墨负极材料、硅碳负极材料、富锂正极材料的电极制备中。

在不同正负极材料的电极中均能制造导向结构；同时，在宽泛的电化学窗口下，所制备的具有高载量的导向结构电极均能进行稳定的电化学循环（图4）。

图4. 不同正负极材料的导向结构电极。

文章链接

Constructing a Highly Efficient Aligned Conductive Network to Facilitate Depolarized High‐Areal‐Capacity Electrodes in Li‐Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202100601

通讯作者介绍

潘锋 北京大学教授，北京大学深圳研究生院副院长、北京大学新材料学院创院院长。

自2011年创建北京大学深圳研究生院新材料学院以来，致力于材料基因与大数据系统研发、结构化学新范式探索、基于中子大科学装置的材料和器件综合表征系统建设与应用、新能源材料与器件研究和应用、界面结构与特殊界面涂层材料及装备研发和应用，发表了包括Nature Energy、Nature Nanotechnology、JACS、AM等在内的SCI代表性论文250余篇。获2018年美国电化学学会电池科技奖与深圳市自然科学一等奖（领军）和2016年国际电动车锂电池协会杰出研究奖，在锂电池材料方面的成果入选2019“中国百篇最具影响国际学术论文”。

杨世春，北京航空航天大学交通科学与工程学院教授、博士生导师、院长，入选国家万人计划领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、全国优秀科技工作者。

全国汽车标准化技术委员会电动车辆分标委副主任委员、SAE车辆安全与信息安全技术委员会副主席、中国智能交通协会专家委员会道路车辆专业工作委员会专家、中国汽车工程学会学士。主要从事新能源汽车能源动力系统安全、高效优化及控制理论研究，第一完成人获得国家科技进步二等奖1项、中国汽车工业技术发明一等奖1项和教育部科技进步二等奖1项。

刘新华助理教授。

北京航空航天大学交通科学与工程学院助理教授，英国帝国理工大学客座讲师，北航浙江新能源汽车研究院主任，美国电化学协会会员，英国皇家化学协会高级会员，中国汽车工程学会会员。研究方向主要包括新能源汽车和电动无人机等动力电池系统研究，近年来在Matter, Advanced Materials, Materials Today, Energy Storage Materials, Advanced Science, Applied Energy, Journal of Power Sources等发表学术论文80+篇。

第一作者介绍

杨凯，北京大学新材院学院博士研究生。

主要研究方向为锂电池原位表征，以第一作者在Journal of Materials Chemistry A，Nano Research, Journal of Energy Chemistry, Materials Today, Advanced Materials Technologies，Advanced Energy Materials等国际期刊上发表学术论文多篇。

杨卢奕，北京大学新材料学院副研究员。

目前主要开展下一代储能材料（固态电池、负极材料）的制备与表征研究，以第一作者和通讯作者身份在Chemical Society Reviews, Joule, Advanced Energy Materials, Small Methods, Journal of Materials Chemistry A 等国际期刊上发表学术论文40余篇，引用次数1200余次。

王子剑，北京大学新材料学院博士研究生。

主要研究方向为新型固态电解质的开发以及锂负极保护等，以第一作者身份在Nano Energy，Nano Research，ACS Applied Materials & Interfaces，Advanced Energy Materials等国际期刊上发表学术论文多篇。