中科院和中科大联合研发新型Al-碳双离子电池-北极星储能网

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在上一篇文章中我们介绍过双离子电池的工作原理，也分析了双离子电池相对于锂离子电池的优势（《锂离子电池掘墓者？双离子电池来袭》）。小编相信随着高容量正极碳材料的开发，以及相关电解液技术的逐渐成熟，双离子电池也能够逐渐走入到我们的日常生活。相比于国外，虽然国内双离子电池技术起步稍晚，但是现在中国的科技工作者在双离子电池方面并不落后于国际同行。以中科院为代表的中国科研工作者在双离子电池领域取得了丰硕的研究成果，这其中中科院深圳先进技术研究院开发的Al-碳双离子电池，不仅能量密度高，而且具有优异的循环性能。

近日，来自中科院深圳先进技术研究所和中国科学技术大学的PanpanQin在著名材料期刊《AdvancedMaterial》发表文章介绍了他们最新的研究成果。在该项研究中PanpanQin利用Al磁控溅射技术在Al箔的表面合成了一层碳包覆中空Al纳米球，使用该电极作为双离子电池的负极，能够很好的抑制在嵌锂过程中产生的应力，也大大降低了电极的电流密度，从而使得采用该负极的双离子电池具有极佳的循环性能，在2C倍率下，循环1500次容量保持率达到99%，在1780W/kg的功率密度下（可以实现在6min内完成充电／放电），电池的重量比能量可达142Wh/kg。

Al在形成Al4Li9和AlLi结构时，比容量可以分别达到2234mAh/g和993mAh/g，远高于传统的石墨类材料，非常适合作为锂离子电池负极材料。当然Al也面临着和Si材料一样的困境——严重的体积膨胀。为了克服Al在嵌锂过程中严重的体积膨胀，PanpanQin等对Al箔表面进行了改性处理。首先PanpanQin利用十二烷基磺酸钠（SDS）对20um后的Al箔进行了处理，在其表面产生疏水层。然后利用酒精作为分散剂将聚苯乙烯PS纳米球分散在Al箔的表面，然后利用磁控溅射在这些聚苯乙烯纳米球表面溅射了一层Al，然后在惰性气氛下对电极进行焙烧处理，从而使得聚苯乙烯PS分解和碳化，并且这个过程中还会在这些中空的Al球表面产生一层无定形碳包覆层，整个合成过程如下图所示。

为了测试该负极的性能，PanpanQin利用膨胀石墨作为正极，4mol/L的LiPF6的EMC溶液作为电解液，测试结果如下图所示，从充放电曲线上我们可以看到，在充电和放电过程中分别出现了三个电压平台，对应着石墨材料在嵌锂和脱锂过程中的相变。dQ/dV曲线很清楚的显示PF6-确实嵌入到了石墨正极之中。在倍率测试中，该双离子电池表现出了良好的倍率性能，即便是在10C的大倍率下，石墨正极的比容量也能够达到85mAh/g以上。循环测试发现，该双离子电池具有及其优异的循环性能，在2C倍率下循环1500次，容量保持率达到99%，几乎没有衰降。即便是在10C大倍率下，电池在循环1000次后，容量保持率仍然可达84%。

该新型的负极材料由于Al纳米球的中空结构能够很好的吸收在嵌锂过程中的体积膨胀，从而避免Al的粉化，其次Al纳米球表面的无定形碳能够帮助形成稳定的SEI结构，能够保护Al的表面，减少粉化、破碎，从而赋予了电池好的循环性能。同时该电极不仅仅能够应用在双离子电池上，还能作为负极应在锂离子电池上，用于高比能，高功率锂离子电池的制备。

中科院李泓：从液态到全固态电池未来储能技术展望

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