沈阳金属所李峰Adv. Sci.：快速电荷转移和离子扩散的超稳定界面应用于柔性锂离子电池

【成果简介】

近日，中科院沈阳金属研究所李峰研究员（通讯作者）等人发现在聚合物隔膜上进行氧等离子体处理，并结合高速离心喷涂设备来制备超稳定的界面。处理后的聚合物产生了丰富的亲水含氧官能团，增强了隔膜和活性材料之间的化学附着力。将单壁碳纳米管（SWCNTs）喷涂在活性材料上，形成了一层致密的薄膜作为集流体。同时，在高速旋转引起的离心力和快速蒸发下的范德华力作用下，在集流体和活性材料之间产生了更紧密的界面。这种超稳定的界面相互作用，导致电极在5 000次弯曲循环后仍没有问题，且锂离子扩散系数几乎是未处理电极的19倍。用这些电极组装的柔性锂离子电池显示出良好的结构和电化学稳定性，并能在各种变形状态和反复弯曲下稳定地工作。这项工作为合理设计柔性锂离子电池的电极提供了一种新技术。相关成果以“Ultrastable Interfacial Contacts Enabling Unimpeded Charge Transfer and Ion Diffusion in Flexible Lithium-Ion Batteries”发表在Advanced Science上。

【引言】

近年来，智能、便携和可穿戴电子产品的快速发展，对高能量/功率密度和灵活性的电源需求越来越大。对于可穿戴设备、曲屏显示器、智能纺织品和生物传感器，具有良好变形能力（如弯曲、扭曲和拉伸）和电化学性能的柔性电源是必不可少的。但是电池的正极和负极在反复变形后，活性材料很容易脱落。因此，开发柔性锂离子电池（Lithium-Ion Batteries，LIB）的关键是制备在变形过程中具有良好结构稳定性的柔性电极。同时，集流体和活性材料之间的界面接触是关键。聚丙烯、聚氨酯和棉织物等具有卓越的机械强度和轻质的聚合物和纺织品，被认为是柔性基材的良好候选材料。然而，这些基材的导电性通常要通过添加剂来提高。碳纳米管具有一维结构和高机械强度，使其更适合与活性材料的自支撑复合材料或直接作为导电添加剂来构建高效的导电网络。因此，它们在制备更低的界面电阻的柔性电极方面具有很大的潜力。除了活性材料和集流体之间的界面，隔膜和活性材料之间的界面也需要考虑，因为这个界面的离子转移速率也极大地影响了变形下的电化学性能。

【图文导读】

图 1 电极的制备和结构示意图 ©2022 The Authors

（a）电极的制备过程；

（b-d）电极的横截面（b）、侧面（c）以及SWCNT侧的光学及SEM图像；

（e, f）)电极的XRM图像和活性材料的内部分布模拟图

图 2 界面I和界面II的改进 ©2022 The Authors

（a，b）等离子体处理前后分离器表面的X射线光电子能谱（a）和傅里叶变换红外光谱（b）；

（c，e）隔膜在等离子体处理前（c）和后（e）隔膜表面的接触角；

（d，f）隔膜在表面处理前（d）和后（f）的光学照片；

（g）离心喷涂的设备；

（h）电极及其活性材料和SWCNT薄膜之间界面的SEM图像；

（i，j）有SWCNTs作为活性材料中的导电添加剂（i）和无SWCNTs作为活性材料中的导电添加剂活性材料（j）和集流体之间界面的SEM图像

图 3 柔性电极的电化学特性 ©2022 The Authors

（a）不同倍率下的充电/放电曲线；

（b，c）LFP、LFP-SWCNT-Al和LFP-SP-Al电极的倍率性能（b）和EIS曲线（c）；

（d，e）LFP电极在1、5和10 C下的长期循环性能

图 4 电极在5000次弯曲测试后的结构表征 ©2022 The Authors

（a-f）电极在5000次弯曲测试后的SEM图像：LTO电极（a，d）、

LTO-SWCNT-Al电极（b，e）和LTO-SP-Al电极（c，f）;

（g）LTO、LTO-SWCNT-Al和LTO-SP-Al电极的EIS曲线；

（h）低频区Z_re和ω^-1/2的关系；

（i）三种电极弯曲后的Li⁺扩散系数；

（j）三种电极弯曲后，在1 C的充放电曲线；

（k）在不同电流密度下的极化电压；

（l）三种电极弯曲后的循环性能

图 5 PDMS膜和铝塑膜包装的电极组装的柔性LIB ©2022 The Authors

（a-f）不同弯曲状态下的电池（a-d），以及在平坦和弯曲状态下，PDMS薄膜的柔性LIB点亮了一个LED图；

（g-i）在不同的变形状态下，铝塑膜的柔性LIB的平的、弯曲的、折叠的和卷曲的状态下点亮LED

【小结】

本文为柔性锂离子电池开发了一种具有超稳定界面接触的电极。通过对聚合物隔膜进行氧等离子体处理和在活性材料上高速离心喷涂SWCNTs的策略，大大改善了LIB中的两个关键界面，即活性材料和隔膜之间的界面，以及活性材料和集流体之间的界面。SWCNTs既可用于集流体，又可作为活性材料的导电添加剂，有效地增强了界面接触，大大降低了界面电阻。由于获得了中间层结构和改进的界面接触，电极具有非常稳定的电化学性能、长循环寿命和良好的结构稳定性。即使经过数千次的弯曲时测试，微观结构仍然保持良好，界面电阻几乎没有变化。因此，用这种电极组装的柔性锂离子电池在各种变形下都能稳定工作，在实际应用中的巨大潜力。这种采用高速离心喷涂在活性材料上，直接形成集流体的方法为改善其他电极的界面提供了新的途径。

文献链接Ultrastable Interfacial Contacts Enabling Unimpeded Charge Transfer and Ion Diffusion in Flexible Lithium-Ion Batteries（Advance Science DOI: 10.1002/advs.202105419）。

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