中國(guó)粉體網(wǎng)訊 傳統(tǒng)的鋰離子電池工作原理是在充電的過(guò)程中Li+從正極脫出，經(jīng)過(guò)電解液擴(kuò)散到負(fù)極，并嵌入到負(fù)極的層狀結(jié)構(gòu)中。在放電的時(shí)候，Li從負(fù)極脫出，經(jīng)過(guò)電解液，重新嵌入到正極結(jié)構(gòu)之中。在整個(gè)鋰離子電池工作的過(guò)程中實(shí)際上只有Li在正負(fù)極之間流動(dòng)，并攜帶電荷，因此這是一種單離子電池。
石墨材料是目前常見(jiàn)的鋰離子電池負(fù)極材料，它能允許陽(yáng)離子，例如Li+嵌入到其層狀結(jié)構(gòu)之中，這也是目前鋰離子電池最重要的反應(yīng)原理之一，但實(shí)際上早在1938年，Rüdorff 和 Hofmann兩人就報(bào)道發(fā)現(xiàn)了陰離子也能夠嵌入到石墨的層狀結(jié)構(gòu)之中，但是由于電解液的限制，這一技術(shù)一直沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，直到1989年McCullough才首次報(bào)道了基于水系電解液和碳質(zhì)負(fù)極的雙離子電池，從此以后雙離子電池吸引了廣泛的關(guān)注。
基于上述研究，人們提出了雙離子電池的模型，既正負(fù)極均采用石墨材料，其工作原理是充電時(shí)，正極嵌入陰離子，如PF6-，而負(fù)極則嵌入陽(yáng)離子，Li+，電解液中的鋰鹽LiPF6濃度隨著下降，當(dāng)放電的時(shí)候，正負(fù)極分別脫出陰離子和陽(yáng)離子，電解液中的鋰鹽LiPF6的濃度也隨之恢復(fù)。
相關(guān)研究表明PF6−, ClO4−,BF4−和TFSI-都能夠嵌入到相應(yīng)的碳負(fù)極材料之中，而且陰離子嵌入到石墨材料中的電勢(shì)高達(dá)4.5V以上，而陽(yáng)離子嵌入石墨負(fù)極的電勢(shì)不足1.0V，因此兩者的結(jié)合可以顯著的提高石墨負(fù)極材料的電壓窗口范圍，但是目前的有機(jī)電解液在較高的使用范圍下，無(wú)法穩(wěn)定工作，導(dǎo)致雙離子電池的循環(huán)性能很差，但是隨著近年來(lái)離子液體技術(shù)的發(fā)展，為雙離子電池的應(yīng)用帶來(lái)了曙光。
近日，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的Xuefeng Tong等人研發(fā)了一種基于涂炭鋁箔負(fù)極的雙離子電池，其中鋁箔不僅作為集流體，更是用作負(fù)極材料。 相比于石墨材料，Al具有更高的理論比容量，當(dāng)形成LiAl結(jié)構(gòu)時(shí)，比容量可以達(dá)到993mAh/g，形成Li9Al4材料時(shí)，比容量達(dá)到2235mAh/g，電壓平臺(tái)僅為0.19-0.45V vs Li+/Li，相比于硅材料其具有更小的體積膨脹，形成Li9Al4時(shí)，體積膨脹僅為97%，并且Al材料還具有良好的導(dǎo)電性、易加工和低成本等優(yōu)勢(shì)，但是Al負(fù)極目前仍然需要提高其循環(huán)壽命。
在該項(xiàng)研究中，Xuefeng Tong等人采用了天然石墨作為正極材料，帶有碳涂層的多孔鋁箔作為負(fù)極，電解液經(jīng)過(guò)特殊優(yōu)化。其中多孔鋁箔中的孔結(jié)構(gòu)，不僅能夠吸收循環(huán)過(guò)程中鋁箔的體積膨脹，還能縮短鋰離子的擴(kuò)散距離，碳涂層能抑制Al箔體積膨脹并減少電解液界面的副反應(yīng)。電解液添加了濃度達(dá)到4 mol/L的LiPF6，以便提高電池的容量，溶劑為EMC，并在電解液中添加5%的VC，用于提高Al箔表面的SEI膜的穩(wěn)定性。
該電池表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能，在3.0-4.95V的電壓范圍內(nèi)，2C的倍率下循環(huán)1000次容量保持率達(dá)到89.4%，其具有良好的倍率性能，在3084W/kg的功率密度下，其比能量達(dá)到204Wh/kg，這要約是商業(yè)鋰離子電池的兩倍(1000W/kg的功率密度下100Wh/kg)，在446W/kg的功率密度下，比能量為232Wh/kg。
碳涂布多孔鋁負(fù)極制備工藝較為簡(jiǎn)單，首先將鋁箔采用電解的方法進(jìn)行腐蝕處理，然后在其表面包覆一層PAN材料，經(jīng)過(guò)低溫固化和高溫碳化后，即可在鋁箔的表明形成一層碳層，可以多次重復(fù)PAN處理過(guò)程提高碳的含量，研究發(fā)現(xiàn)，一次碳包覆碳含量約為1.5%，兩次碳包覆碳含量約為2.8%，三次碳包覆碳含量約為4%。
實(shí)驗(yàn)中碳包覆量過(guò)低或者過(guò)高對(duì)電池的倍率性能和循環(huán)性能都有不好的影響，兩次包覆碳含量在2.8%的Al箔材料表現(xiàn)出了最好的循環(huán)性能和倍率性能。
該種雙離子電池功率密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋰離子電池，并且正負(fù)極材料均為低成本材料，對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)毒，并具有優(yōu)異的循環(huán)性能，是一種十分有希望的下一代雙離子電池。
