【技術(shù)領(lǐng)域】
新能源
【研究背景】
鋰離子電池的快速充電能力直接影響其在3C電子產(chǎn)品和電動汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用。電池的快充能力與電極結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。常規(guī)的電極由隨機堆疊的活性顆粒組成，其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)隨機無序，需要降低電極載量和厚度來縮短鋰離子在電極中的傳輸距離，從而提升電極的快充性能。然而，這大大降低了活性物質(zhì)在電極整體中的占比（活性材料/（活性材料+非活性材料）），犧牲了電池的整體能量密度。因此，亟需實現(xiàn)在保持電極高面容量的情況下，提高電池的快充性能，從而滿足3C電子產(chǎn)品和電動交通工具對能量密度和快充性能的綜合需求。
【成果介紹】
本成果提出了一種由大尺度單層顆粒組成的電極結(jié)構(gòu)，該電極具有垂直于集流體的載流子傳輸通道，能夠解決高載量電極所面臨離子傳輸速率慢的問題。將紅P負載到具有垂直排列納米通道（~ 22 nm）的大塊石墨烯基顆粒中（紅P/VAG，~60 μm），設(shè)計了由大尺度單層紅P/VAG顆粒組成的電極。所設(shè)計的電極能夠同時實現(xiàn)鋰離子電池的快速充電和高的能量密度，具有非常廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價值。
圖1 常規(guī)納米/亞微顆粒電極（左）和單層活性顆粒電極（右）的示意圖
圖2 （a）紅P/VAG顆粒的制備示意圖；（b, c）VAG顆粒的SEM和TEM圖；（d）紅P/VAG顆粒的STEM和相應(yīng)的元素分布圖像；（e）VAG和紅P/VAG顆粒的氮氣吸脫附等溫線；（f, g）單層紅P/VAG顆粒電極的SEM圖；（e）中的插圖為VAG和紅P/VAG顆粒的孔徑分布圖
圖3 （a）NCM622||單層紅P/VAG軟包電池的結(jié)構(gòu)示意圖；（b, c） NCM622||單層紅P/VAG軟包電池在1至40 mA cm-2的充電電流密度下的倍率性能；（d）當(dāng)充電時間為30、20、15、12、10和8 min時電池可達到的Eg和Ev；（e）各類電化學(xué)儲能裝置和NCM622||單層紅P/VAG軟包電池能量和功率密度的拉貢圖；（f, g）NCM622||單層紅P/VAG軟包電池在15 mA cm-2的充電電流密度下的循環(huán)性能（充電時間為20 min）
【技術(shù)優(yōu)勢】
（1）該電極在面容量高達5.6 mAh cm-2（商業(yè)石墨快充極片2倍）時，能夠使電池10分鐘快充至50%以上容量。
（2）由于適度高于商業(yè)石墨的工作電位，該負極在快充條件下可以避免具有安全危害性的鋰枝晶的生成。
（3）該電極與商業(yè)正極組裝的軟包電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和高的能量密度（405 Wh kg-1），超過商業(yè)石墨基快充電池的能量密度。
（4）電池進行10分鐘快速充電其能量密度可達204 Wh kg-1。
【知識產(chǎn)權(quán)】
本成果申請了多項中國發(fā)明專利，下表是部分展示：
【應(yīng)用場景】
3C電子產(chǎn)品和電動交通工具
【合作方式】
技術(shù)開發(fā)、技術(shù)服務(wù)、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、技術(shù)許可、技術(shù)入股、面談等
【專家介紹】
孫永明，博士，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心教授、博士生導(dǎo)師，入選國家高層次青年人才項目，《麻省理工學(xué)院科技評論》“TR35 全球科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人物”（35 Innovators Under 35）中國區(qū)榜單。孫永明教授長期從事新型儲能材料與技術(shù)（鋰離子電池、鋰金屬電池等）等方向的科學(xué)研究，在新型儲能材料與技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域取得了一系列重要進展，在知名國際期刊發(fā)表通訊作者或第一作者論文40+篇，包括Nature Energy （2）、Nature Communications（1）、Advanced Materials （4）、Science Bulletin （1）、 Journal of the American Chemical Society（1）、Angewandte Chemie （1）、Advanced Functional Materials（3）、Energy & Environmental Science（1）、Joule（1）、Chem（1）、Nano Letters（5）、ACS Nano（2）、Advanced Energy Materials（2）、Energy Storage Materials（6）、Nano Research（2）等。此外，獲得授權(quán)/申請國內(nèi)外專利10余項目。據(jù)google scholar, 所發(fā)論文引用超過15000次，H因子為54。
【聯(lián)系方式】
成果編號：CG22024
