鱼与熊掌兼得 - 45 mAh cm-2高面积容量和体积容量的厚电极！复旦大学卢红斌团队在高载量锂电正极取得重要进展！- 大数跨境

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鱼与熊掌兼得 - 45 mAh cm-2高面积容量和体积容量的厚电极！复旦大学卢红斌团队在高载量锂电正极取得重要进展！

科学材料站

2021-01-14

导读：该文章创新性地提出了“二维多孔片层层组装”的厚电极构筑新策略，实现了锂离子电池厚电极中面积容量和体积容量的双提升。

文章信息

董雷博士、卢红斌教授，Energy Storage Materials观点：二维多孔片层层组装实现锂电厚电极面积容量和体积容量的双提升

第一作者：吴天琪，赵则栋

通讯作者：董雷*，卢红斌*

单位：复旦大学（第一单位），上海科技大学

研究背景

随着便携式电子设备和电动汽车市场的不断发展，对锂电池的能量密度提出了更高的要求。一般来说，提高能量密度最有效的方法之一是增加活性物质负载（即制备厚电极），从而降低集电器等非活性成分的比例。但是，电极厚度的增加会导致离子和电子的传输距离增大，电极极化严重，电化学性能大大降低。

目前对厚电极的研究主要集中在集流体和涂覆工艺的优化上，活性物质负载量的提高是以牺牲一定的电极电化学性能或体积能量密度为代价的。因此，要获得理想的厚电极，必须同时解决电极中离子/电子传输和活性材料堆积密度的关键问题。

基于此，本工作以活性材料的微观形貌为切入点，创新性地提出了“二维多孔层层组装”厚电极构筑的新策略，极大地提高了锂电池的能量密度和倍率性能。其中，三元材料的基正极的面容量可达45 mAh cm-2，是商用正极的近十倍。

文章简介

近日，上海科技大学物质科学与技术学院董雷博士与复旦大学高分子科学系卢红斌教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Thick electrode with thickness-independent capacity enabled by assembled two-dimensional porous nanosheets”的研究论文。

该文章创新性地提出了“二维多孔片层层组装”的厚电极构筑新策略，实现了锂离子电池厚电极中面积容量和体积容量的双提升。

图1. 二维多孔片层层组装示意图。

本文要点

要点一：二维多孔片状正极活性物质的制备

图2. 二维多孔片及层层组装的电极形貌。

本文提出了多种二维多孔片的通用制备策略，以主流正极材料三元镍钴锰为例，利用葡萄糖辅助的方法，合成二维多孔片，与碳管共混后层层组装成膜，得到自支撑电极片。

在该体系中，实现高载量、低孔隙率的同时，片内的孔贯穿整个电极，实现了通畅的离子传输，同时，碳管的交织网络保证完善的电子传导。

要点二：锂离子传输动力学模拟

图3.电极中锂离子传输动力学模拟。

本文利用COMSOL软件，为二维多孔片和传统浆料涂覆法所用的微球建立了两种模型，对电极中的离子传输进行了动力学模拟。在相同的电流密度下，对于无序堆砌的颗粒，同样的锂离子消耗，1s后观察到明显的浓度梯度，5s后迅速恶化。

直到500s后浓度梯度才趋于稳定，直到此时，电化学反应消耗的锂离子与扩散补充的锂离子才达到平衡。而在二维多孔片中，离子扩散非常顺畅，体系在5秒内迅速达到平衡，并保持一个低的、稳定的浓度梯度。同时，因为更小的电极极化，电极的放电平台也要优于传统电极。

要点三：不随电极厚度衰减的比容量

图4.厚电极的电化学性能。

本文实现超厚电极的构建，面积负载量最高达320 mg/cm2。随着负载量的增加，离子传输通道始终畅通无阻，活性物质克容量无明显衰减。最终，在38%的孔隙率下，最高面积容量达45.4mAh/cm2。

此外，该研究中提出的二维多孔片的制备方法可拓展到其它金属氧化物材料，除了主要研究对象三元镍钴锰NCM333以外，该工作还成功制备了包括NCM811、钴酸锂以及富锂锰基等正极材料在内的多种二维多孔片状活性物质。

文章链接

Thick electrode with thickness-independent capacity enabled by assembled two-dimensional porous nanosheets

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721000015

通讯作者介绍

董雷博士

2015年于复旦大学高分子科学系获得理学博士学位，师从卢红斌教授，后于新加坡国立大学化学系Loh Kian Ping课题组进行访问交流。2018年加入上海科技大学物质科学与技术学院。重点从事石墨烯等二维材料高效制备与应用，以及二维限域空间化学研究。提出了通过诱导可逆沉淀策略，在水溶液中大规模制备高质量石墨烯的方法，对研究石墨烯液相行为以及推动石墨烯产业化起到积极作用；另外，利用发现的有序石墨烯阵列体，对二维限域空间中离子传输以及材料生长进行了大量研究，在能量存储电极、离子筛分等领域取得了一系列进展；以一作或通讯身份在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、Chem. Mater.等期刊发表研究论文十余篇，申请国内和国际发明专利十余项；董博士同时也重视产学研结合，多次在国际学术会议和产业论坛上介绍石墨烯相关工作，积极参加工业界合作研究，其中石墨烯及氧化石墨烯制备技术已实现产业转化与应用。

卢红斌教授

复旦大学高分子科学系教授，博士生导师，主要从事石墨烯及其复合材料规模化制备基础研究和产业应用，在高产率水相制备石墨烯、高效率超大尺寸氧化石墨烯剥离、室温制备石墨烯三维结构体、多功能石墨烯框架材料、石墨烯自发剥离以及石墨烯在储能、热量管理、催化等领域提出了一系列易于规模化应用的新方法，相关成果对促进石墨烯产业应用与发展起到了积极的推动作用，发表论文80余篇，申请中国专利60余项，转让企业14项，是《科学中国人》2015年年度人物、上海市化学化工协会理事、中国石墨烯国际创新大会分会主席、首届石墨烯创新大会最佳组织奖获得者、中国石墨烯产业技术创新战略联盟军民融合专家委员会委员、国家石墨烯产品监督检验中心顾问委员、上海市石墨烯产业技术功能型平台、长三角/江苏/广东石墨烯创新中心专家委员会委员，曾分别于2003和2010年两次获得中石化科技进步一等奖、2004年获得国家科技进步二等奖。

课题组主页：http://www.lugroup.fudan.edu.cn/CN/Default.aspx