Adv. Energy. Mater.：快充不是梦，集成配置设计助力双离子快充电池！

【引言】

锂离子电池是当今便携电子产品中的主要能量储存器件。受限于其电子传输特性和锂离子在电极和电解液界面传输速率较低，提高锂离子电池的高能量密度仍是一个挑战。

其中一个解决策略是用纳米材料来构建3D导电多孔网状结构，提高倍率性能。然而，绝大部分该类研究只是针对半电池体系，对全电池的调研少之又少。尤其需要解决的是，用集流体和电解液优化活性材料的内部接触，以此提高对良好倍率性能有益的离子和电子的传输效率。

双离子电池(dual-ion batteries, DIBs)与传统锂离子电池相比，由于众多优势，如宽电压窗口、低成本、高安全性等，已引起广泛关注。但是由于其低电子、离子导电性，其倍率性能仍需进一步提升。

【成果简介】

近日，来自中科院深圳先进技术研究院的唐永炳研究员在著名期刊Advanced Energy Materials上发表题为”Integrated Configuration Design for Ultrafast Rechargeable Dual-Ion Battery”的文章。该文章报道了一种用活性材料、集流体、隔膜装配在一个柔性构件上用于快充能量储存的集成双离子电池。在电池结构上，铝薄膜直接沉积在3D多孔玻璃纤维隔膜上来形成多孔网状结构用作阳极和集流体，阴极活性材料负载在隔膜的另一边，并在阴极上沉积一层铝薄膜作为集流体。该设计简化了电池制造过程，并给活性物质和集流体之间创造了充足的界面接触。全电池测试中快速充放电倍率可达到120C的同时，容量保留率达到99%。长期稳定性测试中，60C倍率下可循环1500次。

【图文导读】

图一：集成双离子电池构建过程

玻璃纤维上通过刮涂一层天然石墨作为正极，Plasma处理后于正极表面沉积一层铝薄膜作为集流体，另一面同样沉积铝薄膜作为负极和集流体。

图二：材料相关表征

a) 制备的柔性双离子电池图像；

b) SEM表征；

c) 铝薄膜低倍形态SEM；

d) 铝薄膜高倍形态SEM；

e) 阳极铝薄膜界面的SEM；

f) 玻璃纤维包覆铝薄膜的高倍SEM；

g) 阴极和集流体的SEM以及h)Al、i)C的EDX。

图三：电化学性能表征

a) 充放电曲线；

b) 不同倍率下的充放电倍率电压；

c) 1-120C倍率特性；

d) DIB在60C下循环1500次的循环特性。

图四：长时间循环前后表征对比

a) 阳极铝薄膜表面SEM；

b) 60C下1500次循环后阳极铝薄膜/玻璃纤维界面区域的SEM；

c) 循环前、60C、120C下XRD；

d) 阴极集流体的剖面SEM；

e) 对应的Al和C的EDS；

f) EIS表征。

【结论】

该文章报道了一种集成配置设计的高性能双离子电池，通过铝薄膜磁控溅射沉积在3D多孔玻璃纤维隔膜上形成了多孔阳极，同时隔膜另一面直接负载天然石墨作为阴极并在上面沉积铝薄膜作为集流体。由于3D多孔导电阳极结构和优越的阴极材料与集流体的接触，传输电子阻抗和离子阻抗显著减少。结果，集成DIBs得到120C倍率下116.1mAh g^-1的高容量(充放电只需30S)。并且，3D多孔阳极结构能有效缓解体积膨胀，使得60C下长期循环稳定性超过1500次，容量保留达到61%。其能量密度高达232.6Wh kg^-1，功率密度22634.5W kg^-1。

文献链接：Integrated Configuration Design for Ultrafast Rechargeable Dual-Ion Battery (Adv. Energy.Mater: 10.1002/aenm.201700913)

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