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四川大学在下一代高性能锂离子电池研究方面取得新进展

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 来源:四川大学机械工程学院

近日,四川大学机械工程学院刘文博副教授团队在下一代高性能锂离子电池电极结构优化设计与性能提升方面取得重要进展,相关研究成果以“In-situ synthesis of freestanding porous SnOx-decorated Ni3Sn2composites with enhanced Li storage properties”为题发表于工程技术领域国际权威期刊Chemical Engineering Journal。

目前,随着新能源汽车产业的快速发展,市场对于新一代锂离子电池的能量密度、功率密度、安全性等方面都提出了更高要求。而传统锂离子电池商用石墨阳极理论比容量偏低(仅372 mAh g-1)且嵌锂电位接近金属锂的析出电位,应用时存在极大安全隐患。因此研发高比容量、高安全性、长循环寿命的新型阳极材料替代传统商用石墨势在必行。前期研究发现,锡基氧化物(SnOx,x = 1,2)具有更高的理论储锂容量(约石墨阳极的两倍以上)和合适的嵌锂电位,且与Li反应后原位形成非晶Li2O基质包裹Sn纳米颗粒,可促进电化学性能的改善与提升。但是在锂化-去锂化过程中,极大体积和结构变化(〜300%)产生的机械应力易引起电极内部活性物质开裂、粉化并与集流体失去电接触,导致容量和寿命的急剧降低,因此阻碍了其在未来锂离子电池中的进一步应用和发展。

为解决上述问题,刘文博团队发展了一种将化学刻蚀与液相自组装相结合的复合成形方法,以Ni-Sn铸造合金为原型,利用电偶腐蚀技术,成功制备出一种导电性优良且在0.01-3.0 V (vs. Li/Li+)内对Li+表现为化学惰性的Ni3Sn2型微米多孔集流体,这是现有文献报道为数不多的低成本非铜基集流体之一,有效拓展了集流体的种类和组成;然后在含氧化剂的电解液中实施去合金化处理,实现了纳米多孔SnOx在Ni3Sn2型微米多孔集流体表面的自组装成形,从而原位制得一种无添加剂(粘结剂和导电剂)型三维分级孔结构SnOx@Ni3Sn2一体化电极(3D-HP SnOx@Ni3Sn2)。研究结果表明,将该电极用作锂离子电池阳极可获得优异的储锂性能,其首次可逆容量高达2.68 mAh cm-2,100周循环后,容量保持率为85.1%、库仑效率大于98.4%。此外,与采用传统“混浆-涂布”工艺制造的同类电极相比,不仅简化了制造工艺和技术、降低了成本,而且提高了集流体与电极材料之间的结合强度,进一步提升了电池性能。这主要归因于化学惰性的三维微孔Ni3Sn2能有效缓冲充放电过程中电极内部产生的机械应力并提供了良好的传质通道,同时原位生长的纳米多孔SnOx具有大比表面积和高电化学活性位。该工作将对下一代锂离子电池用高性能阳极的设计与研制具有重要启示。

3D-HP SnOx@Ni3Sn2电极的设计与成形

3D-HP SnOx@Ni3Sn2电极的结构表征

3D-HP SnOx@Ni3Sn2电极的电化学性能

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、香港特别行政区研究资助局(RGC)基金、四川省国际科技创新合作等项目的资助。图片(来源:四川大学机械工程学院)


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