隨著社會的不斷進步和人們生活質量的提高，鋰電池在電子設備和電動汽車領域應用迅速增長，傳統鋰電池使用揮發性和易燃性的液態電解質使其安全問題頻發，固態電解質（SSEs）的使用可顯著提升電池安全問題。近年來SSEs研究取得較大進展，然而由于組成電極的多相接觸使其內部固-固相間接觸不良，導致電池能量密度、倍率性能及循環性能提升受限。

此外，傳統電極中還需要添加導電劑和粘結劑，如果電極中的粘結劑將活性物質與導電劑隔離，則電子傳輸受阻，電池充電/放電性能惡化。

近日，江西理工大學劉先斌、吳子平和華中科技大學夏寶玉教授團隊通過1, 3-二氧戊環（DOL）的簡單原位聚合，利用構建以碳納米管（CNTs）網絡固定活性物質電子導電框架，實現了具有互連電子和離子導電通道的高性能固態鋰電池。



圖1. 集成鋰電池流程和SSE聚合機理。

通過SSEs直接集成鋰電池如圖1所示。通過將正極、隔膜和負極用SSE緊密結合在一起。CNTs網絡作為粘合劑、導電劑和集流體固定活性物質，活性物質載量在電極中可達30 mg cm-2。

由于CNTs固定的活性物質和SSE前驅體間良好潤濕性，具有低粘度的液態前驅體迅速滲透到電極中，在SSE聚合后，整個電極內物質被直接固定集成，可實現電子/離子在連續致密的界面上傳輸。



圖2. 復合集成電極的內部形態及電子離子傳輸性能

極內活性顆粒被CNTs三維網絡緊緊裹住，SSE包覆在CNTs網絡結構外，形成了CNTs和SSE雙包覆結構（圖2）。因此，電子可通過CNTs的連接在活性物質間快速轉移，離子可從致密的SSE骨架傳遞到活性物質表面。導電原子力顯微鏡（CAFM）對電極電導率進行了評估，集成后電極中顆粒相互連接，呈現出4.5 Ω sq-1的方塊電阻，電極的鋰離子擴散系數高于10-11cm-2s-1，從而顯示出較好的電子和離子傳輸效果。



圖3. 鋰箔為負極時集成電池的性能

通過該法以鋰箔為負極組裝的電池具有穩定循環性能，庫倫效率達99.8%，具有2.3 mAh cm-2的面容量和242 Wh Kg-1的能量密度。獲得的電池具有穩定的極化電壓和低電荷傳輸阻抗，因而在10 C倍率下依然有99.6 mAh g-1的放電比容量，復合電極在負載19.4 mg cm-2磷酸鐵鋰（LFP）時能保持很好的安全性能，即使在電池裁剪或針刺后依然能穩定工作。



圖4. 復合集成電極組成和結構模擬分析

為了理清電池優異電化學行為的原因，作者通過對集成的電極進行了微米級X射線計算機斷層掃描（micro-CT）。結果表明，電極中CNTs、LFP和PDL體積分數分別為26.9 %、39.7 %和30.3 %，集成電極中的孔隙率僅為3.1 %，說明大多數孔隙和空隙被SSEs占據。通過COMSOL Multiphysics基于重建的三維圖像也說明了其快速的電子和離子傳輸能力。

此外，作者還計算了DOL和三氟甲磺酸鋁在CNTs和LFP吸附下發生聚合反應的能量變化。結果表明，有效的電子和離子傳輸是可能的，集成電極具有優異的電化學反應動力學。

綜上，該團隊提出的構建具有互連導電界面的直接集成固態電池，可使CNTs、SSEs和活性物質間實現致密接觸，減少電極內部復雜界面，提高電子和離子轉移的效率。因此，獲得了高能量密度、高倍率性能和長壽命且安全的鋰電池，該工作為提高固態電池內部的電化學反應提供了一種新策略。





審核編輯：劉清