碳纳米管粘结剂电极在柔性锂离子电池中的应用

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随着人类社会的不断发展,锂离子电池(Lithium-ion batterys,LIBs)扮演着越来越重要的角色。伴随着3C产品的不断发展更新,新兴的智能可穿戴设备和电动汽车等领域对LIBs催生了许多新的要求,人们迫切需要具有更高能量密度,能快速充放电兼具一定折叠性的LIBs,同时作为穿戴产品和交通工具需要保证一定的安全性。传统的LIBs由于金属集流体以及粘结剂等占据了很大一部分质量,能量密度始终无法得到质的提升;同时,活性物质及粘结剂与金属集流体间有较大的接触阻抗,在快速充放电过程中不断被放大,使其倍率性能受限;在受外力作用下,金属箔相互接触产生瞬间大电流并使LIBs失效,产生的破坏性巨大,以上是目前LIBs亟待解决的关键问题。碳纳米管(Carbon nanotube,CNTs)作为一种新型碳材料具有许多优异的性能,包括高电导率、高散热性、高的长径比以及密度低等,使得其在LIBs中具有重要的应用前景。本课题组前期通过CVD法制备自支撑CNTs宏观膜(CNT macro-film,CMF),以其为集流体制备的柔性LIBs具有优异的电化学性能。本实验在制备CMF技术的基础上,通过简单喷涂制备以CNTs为粘结剂的LiCoO2(LCO)、Li4Ti5O12(LTO)和Graphite(Gra)复合电极,得到了优异性能的LIBs,主要的研究结果如下:(1)通过CVD制备CNTs结合喷涂法制备了以CNTs为粘结剂的复合电极;该法不受活性材料种类,颗粒大小、负载量与制备面积大小的限制,可快速批量制备,具有很高的实用性。(2)制备的复合电极中高长径比的CNTs形成的三维立体网络将活性物质包裹,使整个电极的宏观电阻降低为3Ω(传统电极电阻在100Ω左右),同时使电极具有良好的柔性,经过数百次拉伸,折叠测试不会对电极性能产生不良影响;电极中活性物质占比高达95%,CNTs与活性材料紧密结合,有效降低了其间接触电阻,同时提升了LIBs能量密度(达到304.6 Wh/kg)。(3)制备的复合全电池LCO-CNTs/LTO-CNTs在保持良好循环稳定性之外,倍率性能得到很大提高,在10 C倍率下仍然保持134.89 mAh/g(传统LIBs为33.87 mAh/g);LCO-CNTs/Gra-CNTs在10 C下保持87 mAh/g(传统LIBs为59 mAh/g),复合电极对提高LIBs的倍率性能有明显作用。(4)复合LIBs具有优异的可折叠性能,经过数百次折叠不会对LIBs性能产生影响;同时得益于复合结构,引入CNTs加了LIBs内部短路时的电阻,使LIBs在遭受严重外力损伤的情况下依然能够正常工作。
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