0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

清华大学何向明教授JPS:塑料集流体,助力锂离子电池更上一层楼

锂电联盟会长 来源:锂电联盟会长 2023-03-09 09:57 次阅读

锂离子电池由于其能够在能量密度、循环寿命和成本等发面实现很好的均衡,已经成为了各行各业不可或缺的储能装置。现如今,随着大家对储能需求的不断增加,追求高能量密度和高安全性的锂离子电池成为了大家关注的焦点。

集流体作为锂离子电池的重要组成部分,对锂离子电池的电化学性能、安全性和能量密度有着重要的影响,但遗憾的是,在过去,集流体对锂离子电池的影响并没有引起足够的重视。近年来,随着锂离子电池的不断发展以及大家对问题的认识不断加深,集流体得到了越来越多的关注,集流体也正在从过去单一化功能逐渐往多功能化集流体转变,比如大家现在比较熟知的塑料集流体和复合集流体。

追根溯源,我们发现早在2013年,清华大学核能与新能源技术研究院何向明老师课题组高瞻远瞩,发表了锂电池领域第一篇关于塑料集流体的论文。下面回顾一下论文的主要内容。

【摘要】

无金属电池在高能量密度、低成本、高安全、环保和可持续性方面具有重要的现实意义。在这里,使用石墨烯涂覆的聚对苯二甲酸乙二醇酯(G-PET)膜(商用现货)作为集流体和硫化聚丙烯腈(SPAN)作为活性材料的无金属阴极,旨在实现低成本和高能量密度电池。使用SPAN/G-PET阴极组装了110 mAh的锂硫(Li-S)电池,显示能量密度为452 Wh/kg (不包括包装的重量),在100%深度放电30个循环后容量保持率为96.8%。对电池的自放电特性进行了测试,在室温下储存30天后,放电容量下降不到1%,这表明基于SPAN的Li-S电池自放电很低。本文表明,G-PET可以成为锂离子电池的一个潜在的有前途的集流体。

【全文解析】

(1)PET薄膜的优势

PET薄膜是容易获得的商用现货产品。PET膜应用非常广泛,例如,印刷、标签、装饰等。PET薄膜具有良好的平衡特性,这使得温度和张力控制的操作窗口更大。表1中列出了几种典型塑料薄膜的特性,其中PET薄膜具有以下特性:可以承受高的加工温度;优异的高张力的转换过程;具有高耐用性和最高的使用温度;具有燃烧自熄灭性;在-70℃能充分发挥功能。PET还具有良好的耐酸性、乙醇、酮类、碳酸盐、DMF、N-甲基吡咯烷酮等性能。PET薄膜的上述性能为其作为锂电池结构材料的应用提供了有利的条件。

表1.典型塑料薄膜的比较数据。

f7fcbacc-bdb8-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

(2)G-PET集流体优势和电池的组装

目前用于锂电池集流体的材料是铝和铜,这两种金属的特性如表2所示。集流体(铝箔和铜箔),大约占到锂电池重量的15-20%和成本的10-15%。使用涂有石墨烯的PET薄膜(石墨烯的含量为2 g/m2。)作为锂离子电池集流体,其重量和成本将有所下降。图1 (a)显示了商业化PET薄膜产品的照片,它非常容易获得。图1 (b)显示了一张PET薄膜的照片,它是一种透明薄膜。图1 (c)和(d)显示了G-PET薄膜的照片和SEM图像,可以看到石墨烯被均匀地涂在PET薄膜的表面上。

表2.不同集流体材料的比较数据。

f8135a3e-bdb8-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

f8311e5c-bdb8-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图1.(a)商业化PET薄膜照片;(b) 一张PET薄膜的照片;(c) 一张G-PET薄膜的照片;(d) G-PET薄膜的SEM图像,涂层厚度为1mm。

图2显示了带有G-PET薄膜集流体的SAPN电极和带有层压软包装的堆叠电池。如图2 (a)所示,电极看起来光滑平坦。由于单面涂层,压实后它会有点卷曲,如图2 (b)所示。使用层压软包装组装带有锂箔阳极的单层堆叠电池,如图2 (c)所示,其容量约为110 mAh,该电池使用SPAN阴极,G-PET集流体和1 M LiPF6/EC+ DEC电解液,显示出能量密度为452 Wh/kg(不包括包装重量)。尽管在该电池中使用的锂超过了约80 wt%,但如果电池容量为10 Ah,计算出的能量密度超过了420Wh/kg。

f85dc0d8-bdb8-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图2.(a) 压实前的电极片照片;(b) 压实后带极耳的电极照片;(c) 叠层软包电池的照片。

(3)电化学性能

图3显示了该100 mAh电池在组装后的电化学性能。图3 (a)显示了在1 M LiPF6/EC+DEC电解质中3.0 V和1.0 V之间的充电/放电性能,平均充电和放电电压分别逐渐稳定在2.24和1.95 V,充电和放电过程之间的电压差小于0.3 V。图3 (b)显示了循环性能。该电池在第一次放电过程中显示出114.3 mAh的容量。随后,在接下来的循环中,容量稳定在约110 mAh。在100%放电深度下进行30次循环后,容量保持在110 mAh以上,等效容量保持率为96.8%,每循环平均容量退化率小于0.11%,这比使用铝集流体的电池要好得多(每循环平均容量退化率约为0.32%)。这表明,在1 M LiPF6/EC+DEC电解质中,采用石墨烯涂层PET膜集流体和SPAN阴极的电池是硫基电池实际应用中有前途的候选电池。

f86d13da-bdb8-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图3.在1 M LiPF6/EC+DEC中,在5 mA的电流下,电池在3.0 V和1.0 V之间进行充电/放电。(a)第1次和第30次循环;(b) 循环性能。

放电曲线随储存时间的变化如图4 (a)所示。组装的电池显示了先前报告的基于SPAN的电池的典型放电曲线,放电容量为113 mAh,随着储存时间的增加,放电容量逐渐减小。5天后,放电曲线与初始曲线几乎相同。储存10天后,电池容量仅略有下降。储存30天后,放电曲线的变化也非常微弱。其电压和容量略低于原来的电压和容量。如图4 (b)所示,放电容量随着储存时间的增加而逐渐减小,电池在30℃条件下储存30天后仅有0.8%的自放电。在实际应用中,每月0.8%的自放电率是可接受的,这种基于SPAN的电池的自放电性能比之前报道的要好得多(Li/S电池在室温下储存30天后自放电率为17%)。这进一步表明,在1M LiPF6/EC+DEC的电解质中,具有石墨烯涂层PET膜集流体和SPAN阴极的电池是实际使用中有前途的硫基电池候选电池。

f880394c-bdb8-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图4.(a)随储存时间变化的放电曲线;(b) 放电容量保持率随储存时间的变化。

【总结】

我们成功制备了基于G-PET薄膜基材的塑料集流体。塑料集流体由于其成本低、金属消耗少、重量轻和化学稳定性好等优点,大大提高了Li-S电池的性能。由于G-PET薄膜的密度仅为1.37 g/cm3,远小于铜的六分之一(8.94 g/cm3)。因此可以用来设计具有改进能量密度的轻质电池。带有GPET集流体的电池显示能量密度为452Wh/kg(不包括包装重量),在100%深度放电循环30次后,该电池的容量保持率为96.8%,表明每循环的平均容量退化率为0.11%。自放电测试表明,在30℃下储存30天后,基于SPAN的电池仅有0.8%的自放电,这在实际应用中是完全可以接受的。此外,在有机电解质中的稳定性是锂电池集流体应用塑料聚合物基材的一个关键标准。基于我们的研究结果,塑料集流体对有机电解质是惰性的,但对石墨烯薄膜有良好的附着力。

审核编辑 :李倩

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 锂离子电池
    +关注

    关注

    85

    文章

    3238

    浏览量

    77686
  • 电解质
    +关注

    关注

    6

    文章

    811

    浏览量

    20049
  • 能量密度
    +关注

    关注

    6

    文章

    287

    浏览量

    16472

原文标题:清华大学何向明教授JPS:塑料集流体,助力锂离子电池更上一层楼

文章出处:【微信号:Recycle-Li-Battery,微信公众号:锂电联盟会长】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    C知识大全 课件

    10个PPT详细讲解c编程的各种知识,让c更上一层楼
    发表于 05-09 14:36

    锂离子电池黏结剂

    溶剂。在锂离子电池中NMP(N-甲基吡咯烷酮)是比较适合于PVDF的溶剂,35℃时PVDF在NMP中的溶解度大于100%。制浆时,用NMP溶剂将黏结剂与活性物质混合均匀,调整黏度至定范围,涂布到集流体上;
    发表于 05-16 10:35

    锂离子电池的类型

    板设计简单 由于采用聚合物材料,电池不起火、不爆炸,电池本身具有足够的安全性,因此聚合物电池的保护线路的设计可考虑省略PTC和保险丝,从而节约了电池成本。除上面介绍的
    发表于 05-17 10:21

    锂离子电池的性能

    对于锂离子电池的性能知识了解,主要是从下面的六个方面来分析,达到对锂离子电池个初步掌握。1.锂离子电池的电化学原理 锂离子电池正极的主要
    发表于 06-13 13:36

    MeMS现状,趋势,清华大学教授报告

    MeMS现状,趋势,清华大学教授报告
    发表于 03-24 09:43

    锂空气电池未来或击败锂离子电池

    卡内基梅隆大学提出的“技术成长曲线”告诉我们,诸多新技术想要与锂离子电池竞争还有多远的路要走。  每隔几周我们都能看到爆炸性新闻,声称发现了电池技术的“圣杯”,将来我们可以运用该技术在几分钟内给
    发表于 10-09 10:28

    ADI公司测量工程更上一层楼的挑战

    Noel McNamara、Martina Mincica、Dominic Sloan和David Hanlon简介多年来,“更上一层楼直隐含在ADI公司战略中,但最近,由于专注于提供更多
    发表于 10-23 14:18

    锂离子电池SEI膜的性能影响

    锂离子电池电池首次从放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化。这种钝化
    发表于 05-24 07:48

    测量工程怎么更上一层楼

    的测试台提升水平?ADI 工程测量团队的成员们在这里为您提供了些相关的专业见解。多年来,"更上一层楼"直隐含在ADI 公司战略中,如今,这战略越来越越清晰。曾经我们仅提供分立器件
    发表于 06-10 07:19

    高级进阶-更上一层楼-Android研发工程师高级进阶

    高级进阶-更上一层楼-Android研发工程师高级进阶
    发表于 07-17 17:10

    锂离子电池简介

      锂离子电池简介  锂离子电池:是种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移
    发表于 11-03 16:11

    OPPOR11什么时候上市?OPPOR11最新消息:广角+长焦+人像模式,拍照更上一层楼!这样的OPPOR11你想要吗?

    直以拍照做为主打功能的OPPO手机家族,即将迎来了以为新的成员----OPPOr11。这个毫不例外的是他们在拍照方面优势更上一层楼
    发表于 05-22 14:18 2811次阅读

    海马汽车:AnyShare让数据共享上更上一层楼

    如果把海马比作成鲲鹏,鲲鹏展翅,当水击三千里,抟扶摇而上者九万里。那么我认为AnyShare就是那阵风,帮助海马研发在整个数据共享方面更上一层楼,这也同样是整个海马汽车在数据管理上的种创新。
    发表于 11-04 11:10 1065次阅读

    鸿利显示陈永铭 技术更上一层楼,Mini LED已成大势所趋

    研讨会上发表了对显示行业前景的看法。 鸿利显示总经理 陈永铭 技术更上一层楼,Mini LED已成大势所趋 Mini LED应用分为背光和RGB直显两个方向。相比传统背光和显示技术,Mini LED在技术和性能上更上一层楼,可称之为超高清时代的产物,现已成为行业的大势所趋
    的头像 发表于 09-27 16:46 2813次阅读

    黑芝麻智能:基于激光雷视融合的3D自动标注技术助力自动驾驶技术更上一层楼

    日前,黑芝麻智能机器学习专家张蕾在由黑芝麻智能主办的“2023智能汽车高峰论坛”上发表了主题为“基于激光雷视融合的3D自动标注技术助力自动驾驶更上一层楼”的演讲,分享了黑芝麻智能在3D数据自动标注方面的研发进展。
    的头像 发表于 05-12 10:55 938次阅读