深圳先進(jìn)院研發(fā)出基于預(yù)合金化鋁負(fù)極的高性能鋰離子雜化電容器
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究員及其研究團(tuán)隊(duì)提出一種通過(guò)同步預(yù)合金化與構(gòu)筑人造固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜的策略，顯著改善了高容量鋁金屬負(fù)極的穩(wěn)定性，并成功用于高性能鋰離子雜化電容器。相關(guān)研究成果以"Simultaneously pre-alloying and artificial solid electrolyte interface towards highly stable aluminum anode for high-performance Li hybrid capacitor"（同步預(yù)合金化以及人造SEI膜構(gòu)筑的鋁負(fù)極用于高性能鋰離子雜化電容器）為題在線發(fā)表于國(guó)際著名材料期刊Energy Storage Materials（DOI: 10.1016/j.ensm.2020.03.021, CiteScore:15.09）上。
相比較于傳統(tǒng)石墨負(fù)極，合金化負(fù)極如硅、鋁、錫等具有高的理論比容量，有利于進(jìn)一步提高電池的能量密度。以鋁負(fù)極為例，其合金化容量達(dá)到993 mAh g-1（LiAl）， 約為石墨負(fù)極的2.7倍。然而，合金化負(fù)極在充放電過(guò)程中往往面臨著嚴(yán)重的體積膨脹（Si: ~300%； Al: ~97%； Sn: ~260%），從而造成電極粉化，導(dǎo)致電池循環(huán)穩(wěn)定性不佳。
鑒于此，唐永炳研究員及其團(tuán)隊(duì)成員歐學(xué)武、張閣等人在考察了不同添加劑與多種負(fù)極的匹配行為后，選擇一種含氟鋰鹽（LiDFOB）作為添加劑對(duì)鋁負(fù)極進(jìn)行同步預(yù)合金化和構(gòu)筑人造固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜處理。該添加劑可以通過(guò)開環(huán)反應(yīng)進(jìn)行聚合，有助于在鋁負(fù)極表面形成富LiF的人工SEI膜，從而提高SEI膜的穩(wěn)定性。此外，LiAl合金層可以補(bǔ)償鋰離子在充放電過(guò)程中的不可逆損耗，從而提高鋁負(fù)極的循環(huán)性能。將上述改性鋁負(fù)極與活性炭正極進(jìn)行匹配后成功構(gòu)筑出一種新型鋰離子雜化電容器，該雜化電容器在1.5-4.5 V的電壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出高達(dá)123.6 mAh g-1的比容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，2000次循環(huán)后的容量保持率為~86%。該工作對(duì)優(yōu)化合金化負(fù)極穩(wěn)定性以及構(gòu)建新型儲(chǔ)能器件具有指導(dǎo)意義。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，廣東省科技計(jì)劃、深圳市科技計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
（a）通過(guò)同步預(yù)合金化以及構(gòu)筑人造SEI膜提高鋁負(fù)極循環(huán)穩(wěn)定性的機(jī)制；（b）DFOB-在鋁負(fù)極表面的還原機(jī)制以及DFOB-接受電子后的電荷差分圖；（c）DFOB-通過(guò)開環(huán)反應(yīng)進(jìn)行還原和聚合的機(jī)制。
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院