中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
A05組供稿
第104期
2020年12月23日
一體化構型的高柔性、長壽命鋅離子電池研究進展

  傳統的電化學儲能器件構型主要是通過將隔膜夾在兩個電極之間並注入電解液來構造的,即隔膜位于兩個電極之間,但三者之間是處于相互分離的狀態。當器件處于彎曲狀態時,上述三種構件由于不同的曲率半徑而在它們之間易産生相對位移或脫離,進而導致接觸電阻激增、電/離子傳輸阻滯,使電化學性能惡化。所以,傳統構件分離式的器件構型在將器件向高柔性方向拓展時具有極大的局限性。一體化構型,是指將儲能器件的主要構件(正、負極、隔膜)通過較強的相互作用集成爲一個整體,使得相鄰組件之間實現連續無縫連接,保證了彎曲狀態下離子和電子的穩定傳輸。因此,一體化的器件結構設計成爲解決傳統分離式構型所帶來的柔性受限問題的一把鑰匙,也對柔性儲能設備的合理結構優化具有重要意義。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先进材料与结构分析实验室A05组近年来基于所发展出的一种具有一体化结构的超级电容器(Adv. Funct. Mater. 26: 8178-8184, 2016;中国发明專利:2013101370105, 2013101680826),为电化学储能器件向轻薄化、高柔性等功能化方向拓展提供了新的思路。近期,该组博士生陈鹏辉在解思深院士和周维亚研究員的指导下,以高安全性的水系锌离子电池的一体化构型设计为出发点,通过将锌离子电池的各个构件集成为一体,构建出一种一体化结构的水系锌离子电池(图1)。

  在這種一體化鋅離子電池的設計中,高柔性和高韌性的聚酰胺微孔膜通過鋅負極表面的塗層緊密集成來形成,而中間內置的由三氟甲烷磺酸鋅和聚酰胺組分構成的塗層夾在鋅負極和聚酰胺隔膜之間,可以發揮多重作用:在粘合鋅負極和聚酰胺隔膜的同時,對負極表面的枝晶生長和副反應的發生起到很好的抑制作用(圖2)。正極部分采用α-MnO2納米線和多壁碳納米管形成互聯網絡狀結構負載在聚酰胺隔膜上,整個正極層本身充當集流體,省去了額外的非活性組件,不僅實現整個電極的輕薄化,更能提升整個器件的質量/體積能量密度。在最終的一體化構型中,相鄰成分層間具有較強的相互作用,保證了穩固的界面接觸的同時也形成了無縫連接,避免了各層組件在彎曲狀態下産生的相對位移或分離,不僅提升了倍率性能和循環穩定性(循環5000次後的容量保持率達到89.4%)(圖3),而且展現出了優異的電化學穩定性和柔韌性(彎曲1000次後的容量保持率>90%)(圖4)。本工作所采用的方法簡捷易行,且與現有電池制作工藝有較高的兼容性;在保證水系鋅離子電池所固有的高安全性與高離子電導率等優勢的同時,能夠解決其所面臨的枝晶生長與彎曲受限等科學問題;爲高安全性、高柔性和長壽命的水系電池的實際應用提供了一個有效的結構設計範例。

  相关研究结果以“An integrated configuration with robust interfacial contact for durable and flexible zinc ion batteries”为题发表在Nano Energy (74: 104905, 2020)上。文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520304626

  该工作得到了科技部(2018YFA0208402)、国家自然科学基金委(11634014, 51172271, 51372269)和中国科学院A类先导专项(XDA09040202)等的支持。


图1. 一体化构型和传统分离式构型的水系锌离子电池的构造示意图对比


图2. 一体化构型对锌负极枝晶生长与副反应的抑制作用


图3.  一体化构型与传统分离式构型的电极在扣式锌离子电池中的电化学性能对比


图4.  一体化构型的锌离子电池在弯曲状态下的电化学性能和演示