美国康奈尔大学设计3D双螺旋电池结构 提升锂电池性能

2018-05-28 09:40:09      来源:锂电网      编辑:王璞玉      人气:

近日美国康奈尔大学的J.G. Werner等人设计了一种3D双螺旋电池结构,在这种设计中不再有传统意义上的正极片和负极片、隔膜的区别,取而代之的是正极网络和负极网络穿插交织在一起

  锂离子电池在1991年诞生以来结构基本上没有发生大的改变,从基本结构上来讲现有的锂离子电池是一种二维结构,即由二维结构的正负极极片、隔膜通过卷绕工艺或者叠片工艺组装完成。这种结构在当时的条件下具有显着的优势,CD的出现将索尼的磁带产业逼上了绝路,索尼当时面临淘汰磁带生产线的设备和工艺通过简单的改造就能进行正负极的生产,但是随着电池产业的不断发展,这种结构的弊端也日益显现出来,首先是其中非活性物质占比太高,电池中的铜箔、铝箔以及隔膜等材料重量占比达到20%左右,降低了电池的比能量;其次是电池内部空间的浪费,正负极与隔膜之间存在大量的孔隙,为了保证安全负极的宽度要比正极宽几个毫米,隔膜又要比负极高出几个毫米,同时在极耳引出的一侧还要留出一定的空间用于极耳连接,浪费掉了大量的空间,导致电池体积能量密度的降低。

美国康奈尔大学设计3D双螺旋电池结构 提升锂电池性能

  近日美国康奈尔大学的J.G. Werner等人设计了一种3D双螺旋电池结构,在这种设计中不再有传统意义上的正极片和负极片、隔膜的区别,取而代之的是正极网络和负极网络穿插交织在一起,正负极之间仅仅通过一层数十纳米的固体电解质进行隔离,极大的减少了电池内部的空间浪费,对提升锂离子电池能量密度具有重要的意义。

美国康奈尔大学设计3D双螺旋电池结构 提升锂电池性能

  双螺旋结构是一种常见的材料结构,在嵌段共聚物、酯类和蝴蝶翅膀的结构色等都能够观察到这种双螺旋结构,但是选择一种适合作锂离子电池负极的材料并不容易,因为这种材料必须同时满足低嵌锂电势、良好的导电性,以及必须具有大量连续、均匀分布的微孔。在考察了多种材料后J. G. Werner发现螺旋介孔碳(GDMC)能够满足上述的全部要求,螺旋介孔碳(GDMC)可以通过聚合物热解获得,J. G. Werner的分析表明其获得的螺旋介孔碳(GDMC)中布满了直径在40nm左右均匀的微孔,孔隙率为63%,碳壁的厚度为15nm左右,比容量为220mAh/g左右。

美国康奈尔大学设计3D双螺旋电池结构 提升锂电池性能

  下一步的工作是为负极表面均匀的包覆一层固体电解质,这是一项极具挑战性的工作,因为独特的结构使得3D电池的正负极之间距离非常近,固体电解质任何的瑕疵都会导致正负极之间发生短路,引起严重的后果,同时这层电解质层还不能太厚堵塞负极材料中的介孔。为了解决这一问题J. G. Werner采用电聚合的方式在负极表面生成了一层聚合物电解质,电聚合的特点使得任何裸露的导电表面都会被不导电的聚合物电解质所覆盖,通过这一技术J. G. Werner在螺旋介孔碳负极的表面均匀的生成了一层厚度不足10nm的PPO(聚苯醚)零缺陷聚合物电解质层。

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