锂离子电池用具有分级三维离子电子混合导电网(2)

能源材料专题

这也迫使人类必须彻底改变能源消耗模式,大力发展可再生清洁能源与此同时,作为清洁能源重要一环的高效储能器

.

件———锂离子电池也日益引起关注,从最初只用于诸如手机、数码相机、笔记本等可移动电子设备,到现在(小批量应用于混合动力汽车(EV)

,再到未来可能作为风能HEV)和纯电动汽车的储能装置服务于智能电网[1—、4

太阳能等可再生能源]扩大.这也对锂离子电池本身提出了更高要求,其应用领域将不断,因此,

如何进一步提高其性能成为解决问题的关键近年来,纳米科学与技术在锂离子电池材料中

.的应用得到广泛研究,纳米科技的不断发展为锂离

子电池性能提高提供了新途径[5,6]

与微米级材料相比,当电极材料趋于纳米尺度时,电化学性能会发.

生显著变化电化学活性.首先,随着颗粒尺寸的减小,微米级无的材料可能产生新的电化学活性[

7—8]

此外,随着颗粒尺寸的减小,锂离子在体相中的扩散;路径大大缩短,从而使材料倍率性能得到大幅度提高;高比表面积的纳米材料大大提高了电极材料与电解液的接触面积,使得液固两相的离子传输面积

变大,从而有效地改善了界面传输性能[9,10]电极材料纳米化的同时,也不可避免地产生了一些.但是在负面影响,例如,高比表面积使得材料稳定性变差,电极与电解液副反应增加;电极材料振实密度(在规定条件下,容器中的粉末经振实后所测得的密度)下降,易团聚,使得电池体积能量密度降低;此外,在采用纳米电极材料作为活性材料制备电极时,由于其高比表面积和颗粒尺寸小,使其很难与导电添加剂实现均匀混合,并且涂覆质量较差,因而易脱落,电

极加工困难[11—13]

基于以上原因,纳微复合结构可能会成为电极材料的一种优选结构模式.

示,通过一种纳米微米有效复合的结构有望在尽量.如图1所规避纳米和微米各自缺点的同时,取两者之长,从而达到提高电极材料综合性能的目的.

图1暋纳微复合结构示意图

暋概念介绍

在自然界存在的生命体系中,高效液体输运结

构体系比比皆是.例如,人体的血液循环系统可以将

644·

http

:飋飋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋血液快速地输运到人体的各个部分,其高效性在于,人体的血液循环系统不但具有较粗的血管,而且还具有遍布全身的较细的毛细血管保证其高效快速输运特性的关键所在.这种分级结构是,在充分利用电极材料的纳米尺寸效应基础.基于结构仿生原理上,我们提出分级三维离子和电子混合导电网络结

构的电极材料设计思想[13—16

].

图2暋电极示意图[13](a)概念图;(b)新型电极;(c

)传统电极传统电极结构由集流体及附着于其上的电极材

料层组成(见图在一定电化学窗2(口c)下).集流体主要是由铝或铜箔等稳定且导电性良好的金属构成;电极材料层主要是由活性物质、导电添加剂和粘合剂构成,导电添加剂通常为乙炔黑,通过其与活性物质在颗粒尺度上有效接触,实现集流体和活性物质之间有效的电接触,从而实现较好的导电性.在充放电过程中,电解液中锂离子通过液相输运到达活性物质表面,电子通过外部电路曻集流体到达活性物质表面,从而实现在界面处的电荷转移曻乙炔黑,但是活性物质颗粒内部的电荷输运只能由其自身性质决定,一旦活性物质种类确定后,材料的电导率将无法改变.对于微米级活性物质而言,颗粒尺寸较大,离子传输路径相对较长,材料的倍率性能在一定

程度上受到限制如果采用图.

维混合导电网络结构电极2(b)

所示,的不但可以实现活性物质新型纳米微米两级三与电解液及导电添加剂在微米尺度的有效接触,而且还可以在二次微米颗粒内部调控离子和电子电导,在纳米尺度上形成高效混合导电网络,从而可以实现离子和电子快速输运与存储与传统电极材料结构最大的不同在于.

,二次微

米颗粒的内部结构是由大量一次纳米颗粒构成,内

部留有大量孔道,且孔道之间相互连通,形成了一种具有多孔结构的微米颗粒,从而使得离子在微米级的颗粒.大量连通孔道为电解液的传输提供了通道内部实现高效传输;此外,如果电极材料的导电性不好,在保持孔道畅通的前提下,在孔道壁上包覆一层很薄的导电物质,这样微米多孔颗粒的内部就引入

物理·40卷(2011年)10期2·