近日，四川大學(xué)機械工程學(xué)院劉文博副教授團隊在下一代高性能鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與性能提升方面取得重要進展，相關(guān)研究成果以“In-situ synthesis of freestanding porous SnOx-decorated Ni3Sn2composites with enhanced Li storage properties”為題發(fā)表于工程技術(shù)領(lǐng)域國際權(quán)威期刊Chemical Engineering Journal。

 

       目前，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場對于新一代鋰離子電池的能量密度、功率密度、安全性等方面都提出了更高要求。而傳統(tǒng)鋰離子電池商用石墨陽極理論比容量偏低（僅372 mAh g-1）且嵌鋰電位接近金屬鋰的析出電位，應(yīng)用時存在極大安全隱患。因此研發(fā)高比容量、高安全性、長循環(huán)壽命的新型陽極材料替代傳統(tǒng)商用石墨勢在必行。前期研究發(fā)現(xiàn)，錫基氧化物（SnOx，x = 1，2）具有更高的理論儲鋰容量（約石墨陽極的兩倍以上）和合適的嵌鋰電位，且與Li反應(yīng)后原位形成非晶Li2O基質(zhì)包裹Sn納米顆粒，可促進電化學(xué)性能的改善與提升。但是在鋰化-去鋰化過程中，極大體積和結(jié)構(gòu)變化（〜300％）產(chǎn)生的機械應(yīng)力易引起電極內(nèi)部活性物質(zhì)開裂、粉化并與集流體失去電接觸，導(dǎo)致容量和壽命的急劇降低，因此阻礙了其在未來鋰離子電池中的進一步應(yīng)用和發(fā)展。

 

      為解決上述問題，劉文博團隊發(fā)展了一種將化學(xué)刻蝕與液相自組裝相結(jié)合的復(fù)合成形方法，以Ni-Sn鑄造合金為原型，利用電偶腐蝕技術(shù)，成功制備出一種導(dǎo)電性優(yōu)良且在0.01-3.0 V (vs. Li/Li+)內(nèi)對Li+表現(xiàn)為化學(xué)惰性的Ni3Sn2型微米多孔集流體，這是現(xiàn)有文獻報道為數(shù)不多的低成本非銅基集流體之一，有效拓展了集流體的種類和組成；然后在含氧化劑的電解液中實施去合金化處理，實現(xiàn)了納米多孔SnOx在Ni3Sn2型微米多孔集流體表面的自組裝成形，從而原位制得一種無添加劑（粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑）型三維分級孔結(jié)構(gòu)SnOx@Ni3Sn2一體化電極（3D-HP SnOx@Ni3Sn2）。研究結(jié)果表明，將該電極用作鋰離子電池陽極可獲得優(yōu)異的儲鋰性能，其首次可逆容量高達2.68 mAh cm-2，100周循環(huán)后，容量保持率為85.1％、庫侖效率大于98.4％。此外，與采用傳統(tǒng)“混漿-涂布”工藝制造的同類電極相比，不僅簡化了制造工藝和技術(shù)、降低了成本，而且提高了集流體與電極材料之間的結(jié)合強度，進一步提升了電池性能。這主要歸因于化學(xué)惰性的三維微孔Ni3Sn2能有效緩沖充放電過程中電極內(nèi)部產(chǎn)生的機械應(yīng)力并提供了良好的傳質(zhì)通道，同時原位生長的納米多孔SnOx具有大比表面積和高電化學(xué)活性位。該工作將對下一代鋰離子電池用高性能陽極的設(shè)計與研制具有重要啟示。

3D-HP SnOx@Ni3Sn2電極的結(jié)構(gòu)表征

3D-HP SnOx@Ni3Sn2電極的電化學(xué)性能

 

       該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、香港特別行政區(qū)研究資助局（RGC）基金、四川省國際科技創(chuàng)新合作等項目的資助。

 

       原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472100190X