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加拿大滑铁卢大学合成不需要粘结剂的水系锂离子电池电极  

2016-09-09 11:56:30|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 锂离子电池电极主要组成为活性物质,导电剂和粘结剂,还有导电铜箔、铝箔,其中真正能发挥容量作用的只有活性物质。

  其中导电剂主要是在活性物质颗粒之间传导电子的作用,粘结剂主要是粘结电极的各个部分,铜箔和铝箔主要是起到将电子导出到电极的作用,因此在电极中活性物质所占的比例自然是越高越好。

  粘结剂在电极中所占的比例一般为3%-5%之间,如果电极制备过程不需要粘结剂则可以显著的提高电极的容量,提高电池的能量密度。

  近年来,随着可穿戴设备技术的发展,柔性电池技术也吸引了越来越多的关注,柔性电池技术的关键在于柔性电极的制备。传统的电极制备工艺使得电极难以弯曲,一个可行的选择是利用碳纳米管和石墨烯等组成一个导电的网络框架,用于制备无粘结剂电极。

  水系电池相比于传统的有机电解质体系锂离子电池,成本更低,更加安全,并且具有更高的离子电导率,因此水系锂离子电池比较适合应用在可穿戴设备领域上,当然这是建立在进一步提高水系锂离子电池能量密度的基础上,而无粘结剂电极刚好适合于此应用。

  加拿大滑铁卢大学的Xiao Zhu等,利用碳纳米管与LiMn2O4合成了一种不仅不需要使用粘结剂,还具有十分良好弹性的水系锂离子电池电极。他们首先高速剪切的方法将碳纳米管CNT分散在水溶液中,由于他们所采用的CNT具有很大的长径比,因此分散好的溶液具有十分好的稳定性,并且相互之间形成了一个稳固的网络,这些网络可以用来LiMn2O4保存纳米颗粒,最后经过过滤,就获得了无粘结剂电极。

  该电极具有以下几大优势:

  1)首先是电极整体重量被极大的降低了,在该电极中,碳纳米管承担了多重角色,既是粘结剂,又是导电剂,又是集流体。

  2)相比于传统的电极结构,这种电极由于具有碳纳米管之间良好的连接,使得极片电阻极大的降低。

  3)由于电极的多孔结构使得活性物质LiMn2O4与锂离子离子交换更快,有利于提高电池的倍率性能。

  4)由于框架结构的CNT,具有良好的弹性,因此能够缓和在充放电过程中由于锂离子嵌入和脱出,造成的活性物质体积膨胀、收缩,从而提高电池的循环寿命。

  从上面的介绍可以看到,该过程不需要昂贵的设备和额外的化学药品,有助于降低电极制备成本,简化电极制备工艺。同时由CNT形成的导电网络结构不仅能够保证良好的导电性,还能增强电极的结构稳定性,提高电池的循环寿命。

  电化学测试表明该方法制备的弹性电极片具有十分优异的倍率特性,在20C的超大倍率下采用该方法制备的电极比容量仍然可以达到72mAh/g,而采用普通工艺制备的CNT+LiMn2O4在该倍率下只有45 mAh/g。同时电极也表现出了良好的循环稳定性,在4C的倍率下循环300次后,容量仅从116 mAh/g下降到了92mAh/g,容量保持率为79.3%。

  粘结剂、导电剂和集流体这些不为体系提供容量的辅助材料的发展趋势就是在电池体系中所占的比例越来越小,随着技术的不断进步,相信总有一天,这些材料最终会在锂离子电池电极制备过程中消失的。

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