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锂离子电池高效3D纳米导电凝胶框架电极

传统的粘结剂是具有分离作用的二元混合物使用这种粘结剂,导电相混合物随机分布在电池活性材料内,这可能导致活性材料与集流体的良接触,阻碍了对电池材料的充分利用。由于导电添加剂没有机械结合力,所以在体积膨胀时导电剂颗粒会聚集在一起,导致电连接的损坏。因此,理想的高容量电极体系粘结剂应具有以下特点:(1)固有的高电子导电性,(2)良好的机械附着力和延展性以适应活性材料的体积变化,(3)吸收电解液后还确保具有高离子导电性。为了解决传统粘结剂的问题,德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授研究团队设计一种3D纳米结构导电聚合物凝胶框架,这种框架可以显著提高锂离子电池的倍率性能和循环稳定性。该成果于2017年发表在Adv. Mater.(IF=18.960)上。

锂离子电池高效3D纳米导电凝胶框架电极

图1. A)在传统的电极系统中,瓶颈和不良接触可能阻碍对电池的有效接触,并发生活性颗粒的聚集。B)导电聚合物凝胶框架用于电子传输的3D网络和多孔结构,以促进离子在混合凝胶电极中的传输。

这种高导电和连续的3D导电聚合物凝胶框架有助于提供良好的电连接,以及直接连接到集电器,从而实现优良的倍率能力。凝胶框架在粘结剂体系中起双重功能,并显着提高了活性颗粒的质量比和电池的质量能量密度。另外,这种凝胶框架的化学结构以及电化学性能可以通过采用不同的掺杂剂进行调整。

锂离子电池高效3D纳米导电凝胶框架电极

图1. A,B)P-PPy/Fe3O4杂化凝胶电极的SEM,TEM图像和电子衍射图。C,D)C-PPy/Fe3O4杂化凝胶电极的SEM,TEM图像和电子衍射图。E)C-PPy/Fe3O4混合凝胶的STEM图像。F,G)C-PPy/Fe3O4杂化凝胶的EDX元素图。

独特的3D纳米结构导电凝胶框架,既用作粘结剂,又作为3D导电网络确保电子传输到电极的每一部分。多孔结构还有助于离子通过基质传输。另外,聚合物凝胶可以在每个活性颗粒上形成均匀的涂层,这可以防止活性颗粒的聚集。牢固的凝胶框架还可以适应电化学反应期间的体积变化并保持电极的完整性。混合凝胶电极中活性物质的质量比可以达到85%以上,这显著提高了电池的质量能量密度。此外,凝胶框架的可调谐微结构和导电性质也有助于控制电极内的传输性能。

锂离子电池高效3D纳米导电凝胶框架电极

图3. A)P-PPy/Fe3O4,C-PPy/Fe3O4和对照样品的倍率特性。B)P-PPy/Fe3O4,C-PPy/Fe3O4和对照样品以1C下的充放电曲线。C)在100mA/g的电流密度下,P-PPy/Fe3O4,C-PPy/Fe3O4和对照样品的循环性能和相应的库仑效率。

 综合导电高分子凝胶粘结剂的简易制备和低廉价格,以及对于不同电池电极材料的广泛适用性等优点,这种新型的导电粘结剂有很大的前景适用于规模化工业生产,有望成为下一代商用锂离子电池粘结剂。

实验过程

混合凝胶框架的合成:通过共沉淀法制得Fe3O4。将FeCl3·6H2O和FeCl2·4H2O的化学计量混合物溶解在去离子水中,将所得溶液加入到去离子水和三乙胺的溶液中。然后通过离心分离获得产物,并在真空烘箱中干燥。Fe3O4颗粒的平均尺寸为20nm。在混合凝胶骨架的合成中,将约80mg Fe3O4颗粒分散在去离子水中并超声处理5分钟。然后将吡咯单体和掺杂剂逐步加入到Fe3O4 颗粒的分散体中。对于P-PPy/Fe3O4,加入15μL吡咯单体和30μL植酸溶液,对于C-PPy/Fe3O4,加入15μL吡咯单体和0.3mg CuPcT。将混合物超声5分钟后,将10mg APS加入到溶液中,凝胶化在10分钟内开始。将样品放置过夜以进行完全聚合。

Ye Shi, Jun Zhang, Andrea M. Bruck, Yiman Zhang, Jing Li, Eric A. Stach, Kenneth J. Takeuchi, Amy C. Marschilok, Esther S. Takeuchi, and Guihua Yu; A Tunable 3D Nanostructured Conductive Gel Framework Electrode for High-Performance Lithium Ion Batteries; Adv. Mater. (2017); DOI: 10.1002/adma.201603922

 

 

 

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