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新材料学院在锂离子电池新型导电粘结剂研究取得重要进展
日期:2017-05-22 14:24:24 点击:

      目前商业用的锂电池的关键材料包括正极、负极、粘结剂等。常用的粘结剂(PVDF)基本依赖于进口,并且是不导电的,制成电极时需要加导电碳黑来链接活性物质形成导电网络。新型导电粘结剂可以减少或不用没有容量活性的导电炭黑等添加剂,减少非活性物质的比例,提高锂电池的能量密度,因此研发新型导电粘结剂成为目前非常重要研究方向。此外,下一代重要的锂电池负极材料是硅及硅碳复合材料,它具有很高的理论容量(4200 mA h/g),是目前商业化石墨负极容量的十倍以上。并且具有储量丰富,环境友好等优点,全球正在抓紧研发试图将它用于纯电动汽车、混合动力汽车的锂离子电池。然而硅负极由于在充放电过程中存在400%的体积膨胀,使得硅颗粒在充放电过程中破碎,与电极的导电网络失去接触,导致容量衰退快,循环性能差,首次充放电效效很低等问题。为了解决以上问题,新型导电粘结剂的设计和开发成为要既有重要意义又非常具有挑战性的前沿课题。

       

图1. (a) 传统的电极体系;(b) 导电粘结剂构成的新型电极体系;(c) 新型导电粘结剂结构

      近日,北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授课题组在锂离子电池新型导电粘结剂领域取得重要进展,该粘结剂可以替代传统的导电粘结剂体系(PVDF+炭黑),显著改善高容量硅负极的循环稳定性和倍率性能。其突出的优点是当硅负极在充放电过程中400%体积膨胀导致颗粒破碎时,导电粘结剂能够把破碎的粘结上保持导电性,从而保持电池的长时间循环稳定性。该导电粘结剂,在420 mA/g的电流密度下循环100次,容量达到2700 mAh/g以上。在更高的电流密度下(4200 mA/g)循环1000次,容量也可保持在999mAh/g以上。

      相关研究成果近期发表在国际顶级能源期刊Nano Energy (Nano Energy 36 (2017) 206-212, 影响因子IF=11.553),该工作由潘锋教授指导,博士后刘栋,14级硕士研究生赵岩和谭瑞共同完成。该工作得到了国家材料基因组、广东省创新团队、中国博士后科学基金以及深圳市科技创新委员会的共同支持。

文章链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517302458

D Liu, Y Zhao, R Tan, L Tian, Y Liu, H Chen, Feng Pan*; Novel conductive binder for high-performance silicon anodes in lithium ion batteries; Nano Energy 2017, 36, 206–212. (SCI, IF=11.553) 

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