中科院研究双离子电池撒手锏—碳涂层多孔铝负极材料

传统的锂离子电池工作原理是在充电的过程中Li+从正极脱出，经过电解液扩散到负极，并嵌入到负极的层状结构中。在放电的时候，Li从负极脱出，经过电解液，重新嵌入到正极结构之中。在整个锂离子电池工作的过程中实际上只有Li在正负极之间流动，并携带电荷，因此这是一种单离子电池。

石墨材料是目前常见的锂离子电池负极材料，它能允许阳离子，例如Li+嵌入到其层状结构之中，这也是目前锂离子电池最重要的反应原理之一，但实际上早在1938年，Rüdorff和Hofmann两人就报道发现了阴离子也能够嵌入到石墨的层状结构之中，但是由于电解液的限制，这一技术一直没有应用到实际生产中，直到1989年McCullough才首次报道了基于水系电解液和碳质负极的双离子电池，从此以后双离子电池吸引了广泛的关注。

基于上述研究，人们提出了双离子电池的模型，既正负极均采用石墨材料，其工作原理是充电时，正极嵌入阴离子，如PF6-，而负极则嵌入阳离子，Li+，电解液中的锂盐LiPF6浓度随着下降，当放电的时候，正负极分别脱出阴离子和阳离子，电解液中的锂盐LiPF6的浓度也随之恢复。

相关研究表明PF6−,ClO4−,BF4−和TFSI-都能够嵌入到相应的碳负极材料之中，而且阴离子嵌入到石墨材料中的电势高达4.5V以上，而阳离子嵌入石墨负极的电势不足1.0V，因此两者的结合可以显著的提高石墨负极材料的电压窗口范围，但是目前的有机电解液在较高的使用范围下，无法稳定工作，导致双离子电池的循环性能很差，但是随着近年来离子液体技术的发展，为双离子电池的应用带来了曙光。

近日，中科院深圳先进技术研究院的XuefengTong等人研发了一种基于涂炭铝箔负极的双离子电池，其中铝箔不仅作为集流体，更是用作负极材料。

相比于石墨材料，Al具有更高的理论比容量，当形成LiAl结构时，比容量可以达到993mAh/g，形成Li9Al4材料时，比容量达到2235mAh/g，电压平台仅为0.19-0.45VvsLi+/Li，相比于硅材料其具有更小的体积膨胀，形成Li9Al4时，体积膨胀仅为97%，并且Al材料还具有良好的导电性、易加工和低成本等优势，但是Al负极目前仍然要提高其循环寿命。

在该项研究中，XuefengTong等人采用了天然石墨作为正极材料，带有碳涂层的多孔铝箔作为负极，电解液经过特殊优化。其中多孔铝箔中的孔结构，不仅能够吸收循环过程中铝箔的体积膨胀，还能缩短锂离子的扩散距离，碳涂层能抑制Al箔体积膨胀并减少电解液界面的副反应。电解液添加了浓度达到4mol/L的LiPF6，以便提高电池的容量，溶剂为EMC，并在电解液中添加5%的VC，用于提高Al箔表面的SEI膜的稳定性。

该电池表现出了良好的循环性能，在3.0-4.95V的电压范围内，2C的倍率下循环1000次容量保持率达到89.4%，其具有良好的倍率性能，在3084W/kg的功率密度下，其比能量达到204Wh/kg，这要约是商业锂离子电池的两倍(1000W/kg的功率密度下100Wh/kg)，在446W/kg的功率密度下，比能量为232Wh/kg。

碳涂布多孔铝负极制备工艺较为简单，首先将铝箔采用电解的方法进行腐蚀处理，然后在其表面包覆一层PAN材料，经过低温固化和高温碳化后，即可在铝箔的表明形成一层碳层，可以多次重复PAN处理过程提高碳的含量，研究发现，一次碳包覆碳含量约为1.5%，两次碳包覆碳含量约为2.8%，三次碳包覆碳含量约为4%。

实验中碳包覆量过低或者过高对电池的倍率性能和循环性能都有不好的影响，两次包覆碳含量在2.8%的Al箔材料表现出了最好的循环性能和倍率性能。

该种双离子电池功率密度远高于传统锂离子电池，并且正负极材料均为低成本材料，对环境几乎无毒，并具有优异的循环性能，是一种十分有希望的下一代双离子电池。

原标题:中科院研究双离子电池撒手锏—碳涂层多孔铝负极材料