? ? ? 鋰資源在地殼中含量匱乏,我國鈷資源長期依賴于進口,僅鋰離子電池三元正極材料的成本占到了國內動力鋰離子電池生產企業(yè)四大關鍵材料(正極,負極,電解質,粘結劑)成本的50%以上,并呈現(xiàn)每年遞增的趨勢;另一方面,我國石墨產量全球前三,同時炭質資源非常豐富,如果能夠基于富礦炭質資源發(fā)展低成本高性能儲能電池,不僅能夠實現(xiàn)低成本炭質資源的增值與高效利用,更重要的是能夠為緩解鋰資源與鈷資源帶來的資源緊缺問題尋求更優(yōu)的替代方案。雙離子電池是一種正負極活性材料均可以采用石墨的非常規(guī)電池,不僅具有高電壓窗口(3~5 V),并且可以通過調控陰陽離子尺寸控制嵌入正負極石墨電極的狀態(tài),獲得性能可調控,電壓窗口可調控的低成本儲能電池。
? ? ? 近期,在方岱寧院士的指導下,團隊陳浩森、宋維力副教授等與北京科技大學焦樹強教授團隊密切合作,基于自主發(fā)展的原位電池力學/電化學耦合可視化表征技術,在雙離子電池力學/電化學耦合方面取得重要進展,相關成果在國際頂級期刊Advanced Energy Materials(2017年影響因子21.875)上發(fā)表。該工作基于石墨與生物質等富礦炭資源,通過生物質衍生物發(fā)展超輕三維網(wǎng)絡炭集流體,并在此集流體上負載石墨活性物質,獲得了全炭電極;通過正負極電荷匹配,集成了正負極均為全炭電極的全炭雙離子電池。從而有望同時解決了目前雙離子電池中存在三個關鍵問題:(I)傳統(tǒng)金屬集流體負載活性物質占比偏低的問題,(II)傳統(tǒng)金屬集流體電化學腐蝕的問題,(III)石墨正極體積變形嚴重的問題。該全炭雙離子電池的實現(xiàn)為發(fā)展低成本、高性能、電化學穩(wěn)定,機械穩(wěn)定的雙離子電池提供了嶄新的思路,為炭質資源的增值與高效利用拓展了新方向,為緩解傳統(tǒng)鋰離子電池中鋰資源與鈷資源緊缺問題提出了備選方案。
圖1. 雙離子電池原位光學可視化平臺驗證:(a)原位裝置示意圖,(b, c)全碳雙離子電池正極與傳統(tǒng)鋁集流體涂覆石墨正極的脫嵌陰離子體積變化圖, (d, e)截面厚度變化,(f)兩種正極對應的體積變化率比較。
圖2.六種不同雙離子電池電化學性能:(a)CV,(b)EIS,(c)放電比容量,(d)倍率,(e)5C下長循環(huán)(1C=100 mA g-1)。ACE代表正負極均采用三維炭網(wǎng)絡集流體涂覆石墨構造全碳電極與全碳雙離子電池。
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