抑制铝负极的劣化成为可能,有望提高锂离子电池性能

日本东北大学和住友化学于2020年4月宣布,在用于锂离子电池的铝负极中,发现可通过使用高纯度铝箔控制其充电期间体积的膨胀和收缩,并阐明了其原理。该成果将有助于提高锂离子电池的性能。

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锂离子二次电池由正极、负极、电解质和隔膜这四个主要部分组成,锂离子在正极和负极之间移动以进行充放电,充电时负极吸收从正极移动过来的锂离子。现有负极主要采用碳基材料,为了进一步提高电池容量,除了存储能量为碳基材料的3至10倍的硅之外,还考虑使用锡和铝等金属基材料。

然而,尽管这些材料可以吸收大量的锂离子并存储大量的能量,但它们在充放电期间会膨胀或收缩2至4倍,导致内部电极结构损坏,这成为铝负极实用化过程中的一大课题。

本次研究小组证实,可通过优化高纯度铝箔的硬度来抑制体积的膨胀和收缩。常规负极必须采用层压结构,其包括两部分,一是存储锂离子的碳基材料部分,二是在聚集电流的同时还用作基板的铜箔,而单独的高纯度铝箔就具有以上两种材料的功能。

通过优化高纯度铝箔的硬度,锂离子可以被铝箔的整个表面所吸收,并且铝和锂的金属间化合物能够均匀地形成。由于金属间化合物具有即使铝和锂的比率不是1∶1也能够形成的特点,因此在箔表面和箔内部会形成浓度梯度。由此,位于内部的铝被均匀地向上推,并且体积仅在厚度方向上膨胀以进行充电。底部可用作电流收集层。

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(图片来自雅虎)

放电时,表面释放锂离子,同时形成多孔结构,方便再次充电时更高效地吸收锂离子。由于底部还可代替铜箔维持电极结构,因此高纯度铝能单独用作一体型负极。

研究团队表示,与传统的锂离子二次电池相比,一体型铝负极将大大简化电池的制造过程,这将有助于减轻制造过程中的环境负荷,同时实现电池的高容量、轻量化以及降低成本。此外,研究团队认为该成果也可应用于作为新一代电池而被关注的全固态电池中,并且今后将对此继续进行联合研发。


参考日本报道原文:https://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/2004/28/news050.html

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