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15μm厚的鋰金屬電池負(fù)極，胡良兵解決鋰加工難題，商業(yè)化未來可期！

時間:2021-02-16 16:54來源:鋰電前沿 作者:WPGLYGH
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      由于鋰金屬具有較高的比容量和較低的氧化還原電位，因此極有希望成為最終的負(fù)極選擇。然而，將金屬鋰加工成具有高電化學(xué)性能和良好安全性的薄膜負(fù)極以匹配商業(yè)正極仍然是一個挑戰(zhàn)。做鋰負(fù)極研究的人都知道，現(xiàn)在商業(yè)可買到的鋰都是很厚的，一般都是200-400微米厚，在當(dāng)前的電池研究中來說是大大過量的。要實現(xiàn)鋰金屬電池商業(yè)化的話，必須將其做薄！
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      美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授在Advanced Materials上發(fā)表了其最新突破文章Stamping Flexible Li Alloy Anodes。
      本文報道了一種直接沖壓金屬溶液在多種基底上制備各種形狀的超薄、柔性和高性能Li-Sn合金負(fù)極的新方法。印刷的負(fù)極薄至15 µm，對應(yīng)的面積容量≈3 mAh cm-2，與大多數(shù)商業(yè)正極材料相匹配。Sn的加入為Li提供了形核中心，從而緩解了Li枝晶，并降低Li剝離/沉積過程中的過電位(0.25 mA cm-2下<10mV)。
     作為概念驗證，使用超薄Li-Sn合金負(fù)極和商用NMC正極的柔性鋰離子電池即使在反復(fù)變形后也表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能和可靠的電池運行。該方法可以推廣到其他金屬/合金負(fù)極，如Na、K和Mg。這項研究為下一代電池的高性能超薄合金負(fù)極的發(fā)展打開了一扇新的大門。

圖文導(dǎo)讀
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圖1  沖壓工藝示意圖
將鋰箔在不銹鋼殼內(nèi)熔化，在200℃的熱板上加熱。作者嘗試了Sn含量在1 wt%、1 wt%和5 wt%時Li-Sn合金的行為，發(fā)現(xiàn)具有5 wt% Sn的Li-Sn合金可以完全分散在銅箔上。將銅制作的郵戳浸入墨板(含熔融Li-Sn合金的不銹鋼外殼)中，涂上一層薄薄的Li-Sn合金。涂有熔融合金的郵戳被轉(zhuǎn)印到銅箔上，幾秒鐘后，就在銅箔上得到超薄Li-Sn合金。從圖1中可以看出，這種合金與銅箔具有很好的親和性。
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圖2  利用郵戳法制作不同形狀的鋰以及在不同基底上的可用性
從圖2可以看到，這種郵戳法具有非常大的優(yōu)勢，可以很方便地將鋰制作成不同的形狀（圖2a），與不銹鋼、鈦箔、玻璃、銅箔、聚酰亞胺薄膜都有很好的親和性。SEM測試其厚度，可以看到厚度約為15微米（圖2b）。在印刷工藝中，潤濕性和粘接強度都是達(dá)到均勻厚度和良好機(jī)械強度的重要因素。因此，對Li-Sn合金與基體之間的附著力進(jìn)行了評價。首先將膠帶黏在含有Li-Sn合金的不同襯底上，然后使用50g負(fù)載將其緩慢拉伸(圖2c)。當(dāng)膠帶完全從基板上剝離后，沒有看到到Li-Sn合金剝落，說明合金與基底之間的附著力很強，可以應(yīng)對惡劣的機(jī)械變形。
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圖3 用鋰箔和Li-Sn各自組成的對稱電池的性能對比
然后將銅箔襯底上的Li-Sn合金作為鋰離子電池的負(fù)極進(jìn)行測試，并與商用鋰箔負(fù)極進(jìn)行比較。眾所周知，鋰基負(fù)極在重復(fù)電鍍/剝離過程中，由于枝晶生長，其安全性問題阻礙了實際應(yīng)用。為了更好地理解這個問題，首先測試了厚度約為300 µm的原始鋰箔負(fù)極(圖3a)�？梢钥闯�，在充電過程中沉積的Li在特定位點生長（圖3b,c)，所以這部分的鋰會有很大的體積膨脹，副反應(yīng)增多，導(dǎo)致界面阻抗變大（圖3j）。而Li-Sn合金電極不僅沉積過電勢低，鋰沉積還更加均勻，經(jīng)歷的體積膨脹更小，循環(huán)后的阻抗也變化不大。
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圖4 印刷Li-Sn合金負(fù)極與工業(yè)鋰箔負(fù)極的實際應(yīng)用比較
之后，作者在全電池中展示這種合金負(fù)極的實用性，可以看到，Li-Sn合金電池可以耐住穿刺的測試（圖4b）和柔性測試（圖4f），并且循環(huán)性能也不錯（圖4d,e），這種負(fù)極因為厚度降低，成本也指數(shù)級地降低。圖4g提出了大規(guī)模生產(chǎn)印刷Li-Sn合金負(fù)極的卷對卷制造工藝。

總結(jié)展望
      總之，作者展示了一種用于制備柔性超薄Li-Sn合金負(fù)極的沖壓打印技術(shù)。使用沖壓印刷工藝可以在許多基材上獲得各種負(fù)極圖案。Sn的摻入是抑制Li枝晶并促進(jìn)Li成核的關(guān)鍵，因而具有較好的安全性能和較低的過電位。電化學(xué)表征證實了超薄Li-Sn合金負(fù)極的優(yōu)越性能優(yōu)于商用鋰箔負(fù)極。此外，在實際的全電池配置中，采用印有超薄Li-Sn合金負(fù)極和商用NMC正極，可以獲得良好的穩(wěn)定性、高能量密度和最重要的理想的柔韌性。印制的Li-Sn合金負(fù)極成功地經(jīng)受了多次變形和濫用，顯示出在可穿戴電子設(shè)備應(yīng)用方面的巨大潛力。沖壓技術(shù)可以很容易地與可擴(kuò)展負(fù)極制造的卷對卷工藝集成。本研究為超薄高性能材料的實際加工開辟了一條新途徑。

文獻(xiàn)信息
     Stamping Flexible Li Alloy Anodes，Adv. Mater. 2021, 2005305.
     https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202005305
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 鋰金屬電池 電池負(fù)極
作者：WPGLYGH ，如若轉(zhuǎn)載，請注明出處：http://m.tyubcd3.cn/qianyan//2021021635415.html
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