清华深圳研究院
【导 读】
商用锂离子电池（LIBs）由于可逆容量不足、循环时间短、成本高而受到限制。并且商用LIB电极中存在绝缘和电化学非活性粘合剂，这导致活性物质分布不均匀，这些材料与基板接触不良，会降低电池性能。因此，科研人员开发出来具有无粘结剂设计的纳米结构电极，它具有许多优点，包括表面积大、与基底的牢固粘附性、高的面积/比容量、快速的电子/离子转移和缓解体积膨胀的自由空间。基于此，本文系统地综述了LIBs中金属、含碳材料、聚合物以及其它无粘结剂纳米结构电极载体的研究进展
【背景简介】
相比之下，LIBs自1991年开始商业化，并因其卓越的性能而备受关注。如今，锂离子电池被广泛用作各种领域的电源，从个人便携式电子产品（如手机、笔记本电脑和电子手表）到纯电动汽车、机器人、人造卫星和智能电网，都有锂离子的应用。
然而，随着人们逐渐提高对储能密度和快速充电的要求，LIBs面临着可逆容量不足、循环寿命短、成本高、速率性能不理想、安全隐患等新挑战。目前最先进的商用LIBs仍然远远落后于大众市场对纯电动汽车和大型固定式电能存储的需求。因此，我们迫切需要开发具有超高可逆容量、优良速率性能和长循环时间的最先进LIBs。
目前商用锂离子电池主要利用插层型正极材料，包括聚阴离子型化合物（如橄榄石LiFePO4），层状结构型氧化物（如LiCoO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）和锰基尖晶石型过渡金属氧化物（如LiN2O4和LiNi0.5Mn1.5O4）。而负极材料一般包括插层型（如碳基材料和Li4Ti5O12）、合金型（如Sn、Ge，以及Si）和转化型材料（例如金属氧化物和硫化物）。然而，由于插层机理，大多数插层反应型材料的容量相对较低，速率性能较差。例如，工业LIBs中最成功的插层正极LiCoO2和负极材料石墨，只有理论容量分别为137和372mahg-1。
尽管合金型和转换型负极材料具有更高的容量，但巨大的体积膨胀和低导电性的严峻挑战阻碍了它们的实际应用。对于正极，环境友好的锰尖晶石受到锰溶解和Jahn-Teller效应，导致循环性差。此外，低成本和热稳定的聚阴离子型化合物的电化学性能受到其固有电子输运不足的限制。
图1. 商业LIBs结构示意图及各组成部分的相应成本比例。
【文章介绍】
由此提出无粘结剂纳米结构电极构建的全电池LIBs仍有很大的改进空间。在许多重要的方面，包括电极材料的结构设计、全电池性能、电化学反应机理、安全问题和工业升级，作者分别给出了自己的改进方法。
【文章链接】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201908445
【老师简介】
李宝华，博士，教授，博士研究生导师，能源与环境学部主任， 碳功能材料国家地方联合工程实验室副主任， 广东省先进电池与材料工程技术研究中心主任， 深圳下一代动力与储能电池关键技术工程实验室主任，材料与器件检测中心（CNAS认可实验室）主任，1993年-1997年 山东大学，化学工程专业，本科；1997年-2002年 中国科学院山西煤炭化学研究所，化学工艺专业，博士；2002年-2004年 清华大学深圳研究生院，博士后；2004年~至今 清华大学深圳研究生院，讲师，副研究员，教授；主要研究方向包括新型碳材料，锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、电化学电容器和燃料电池等领域纳米能源材料的物理化学性能及其相关器件系统集成与应用技术。
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