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香港理工大學鄭子劍教授團隊 AM:輕質金屬化玻璃纖維織物集流體(MGFs)助力高比能柔性鋰電池開發
2023-04-02  來源:高分子科技

  在蓬勃發展的柔性電子技術市場推動下,高比能柔性儲能器件的開發已成為當前研究領域的前沿和熱點課題。作為柔性儲能器件的重要組成部分,集流體在儲能器件中承擔著電子傳輸和機械支撐的重要作用,是影響儲能特性與機械柔性的關鍵基體單元。因此,在保障機械強度與導電性的前提下,研制兼具輕質和高機械柔性的新一代集流體是開發高比能柔性儲能器件的根本所在。


  近日,香港理工大學鄭子劍教授團隊成功研發出了一種兼具輕質和高機械強度的柔性“金屬化玻璃纖維織物(MGFs”,該新型導電織物可通過“卷對卷工藝”實現規模化制備,且其關鍵技術參數均已達到柔性集流體的實際應用標準。具體而言,所研制MGFs的方阻小于0.05 Ohm sq-1,完全滿足商業化集流體的指標需求;其拉伸強度為168 MPa,約為商用碳布的20倍;在曲率半徑為2 mm的條件下連續彎折10萬次,其面電阻無明顯上升,展現出優異的電化學活性和機械穩定性。此外, MGFs的面密度為2.9~3.2 mg cm-2僅為商業化銅箔面密度的40%厚度為20 μm,僅為碳纖維布厚度的9%。輕質的特性可降低儲能器件約10%的重量,提升器件9~18%的能量密度。


  該研究工作相關成果已獲批PCT專利(PCT/CN2021/090844),研究論文以 Metallic Glass fiber Fabrics: A New Type of Flexible, Super-lightweight, and Three-Dimensional Current Collectors for Lithium Batteries”為題發表于Advanced Materials Adv. Mat. 2023, 2211748)上,論文第一作者為商健博士、虞晚成王蕾博士。 



研究要點概述:


  本工作基于團隊前期開發的“聚合物輔助金屬沉積”策略,在超輕、高密的玻璃纖維布(2.0 mg cm-2)表面構筑具有強粘附力的金屬層,制備了兼具輕質和高機械強度的柔性導電集流體(圖1)。得益于優異的界面接觸與均勻連續的金屬鍍層,所制備的MGFs集流體展現出出色的電子導電性(~ 0.05 Ohm sq-1)和電化學穩定性。此外,研究人員還對MGF的機械強度(> 130 Mpa)、機械柔韌性和防火性進行了評估,相關參數指標均可達到商業化使用標準。更重要的是,此制備策略可精準調控MGFs集流體的表面金屬鍍層成分和形態,以適用不同的能量存儲應用場景。本研究工作主要以鋰離子電池與鋰金屬電池為示例,展示了新型輕質MGFs集流體在柔性儲能器件中的先進性。 


1.aMGF和基于MGFs的柔性鋰離子電池和鋰金屬電池制備示意圖;(b-eMGFs的光學照片及掃描電子顯微鏡照片;(f-hMGFs的機械強度、機械柔韌性和防火特性性展示。


  研究人員首先設計了基于銅納米鍍層的MGFs集流體(CuGF),并通過與商業化銅箔對比,論證了該集流體在制備鋰離子電池負極方面的優勢。研究結果表明:基于CuGF的石墨負極(Gr/CuGF電化學穩定性可與銅箔為集流體的石墨負極(Gr/Cu)相媲美(圖2)。此外,由于CuGF的面密度僅為商業化銅箔的40%,在考慮集流體重量的情況下,Gr/CuGF負極的容量可達Gr/Cu負極的2倍。 


2. 基于CuGF的石墨負極與基于商業化銅箔的石墨負極的電化學儲能性質對比圖。


  此外,CuGF還擁有三維的織物結構和較大的電化學活性面積,能有效降低局域電流密度并促進鋰金屬均勻成核生長,因而可進一步應用于鋰金屬負極。為了進一步提高CuGF的鋰金屬親和性,研究人員在CuGF表面沉積均勻了可與金屬鋰發生合金化反應的納米銀涂層(AgCuGF),銀納米涂層不僅能有效誘導鋰金屬平滑型定向沉積,銀-鋰合金界面還能有效增加鋰金屬同集流體之間的鍵合強度。研究結果表明,AgCuGF集流體擁有接近0V的鋰成核電位和極低的鋰金屬生長電位,基于AgCuGF的鋰金屬負極(Li/AgCuGF)表現出高達>99%的鋰金屬沉積剝離效率。此外,AgCuGF的三維織物結構與親鋰型界面構筑還有效抑制了鋰枝晶生成,實現了Li/AgCuGF鋰金屬負極的超長循環穩定性(圖3)。 


3. a-d)基于AgCuGF集流體的鋰金屬負極形貌圖;(e-g)基于AgCuGFCuGF、和商業化銅箔集流體的鋰金屬負極電化學性能對比圖。


  進一步,研究人員將所制備的Gr/CuGF負極和Li/AgCuGF負極分別與商業化的正極相匹配,組裝成鋰離子電池和鋰金屬電池,并評估了MGFs集流體對電池容量、能量密度以及循環穩定性的促進作用。如圖4所示,以MGFs集流體取代商業化銅箔,可將鋰離子電池和鋰金屬電池的總重量降低約10%,使整體器件的能量密度提升9~18%。此外,由于Li/AgCuGF負極具有較高的鋰金屬沉積/剝離庫倫效率,基于MGFs的鋰金屬電池在循環穩定性方面表現出顯著的優勢。
最后,研究人員設計了基于鎳金屬鍍層的MGFs集流體,并以商業化鈷酸鋰為活性材料制備了柔性正極,并通過與Li/AgCuGF相匹配構筑了柔性鋰金屬電池。基于MGFs集流體的柔性鋰金屬電池展現出1.5 mAh cm-2的面容量和較好的循環穩定性(平均容量保持率高達99.82%)。并且,此柔性鋰金屬電池在曲率半徑為5 mm2 mm下分別彎曲500次后,電池容量保持率仍高于83% 


4a-b)基于MGFs的鋰電池同基于銅箔的鋰電池重量和能量密度對比圖;(c-h)對應電池循環穩定性和容量對比。 


5a)基于MGF的電極機械柔韌性測試;(b-c)以MGF為集流體制備的鋰金屬電池電化學循環圖;(c-f)以MGF為集流體制備的鋰金屬電池機械柔性測試。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211748


通訊作者簡介

  鄭子劍博士,香港理工大學應用生物及化學科技學系(ABCT), 智慧能源研究院、智能可穿戴研究院教授。2003年獲得清華大學化學工程系工學學士學位,2007年獲得劍橋大學化學系博士學位,2008-2009年在美國西北大學Mirkin教授課題組從事博士后研究;2009年加入ITC擔任助理教授并成立獨立課題組,2013年破格晉升為終身副教授,2017年晉升為教授,2023年晉升為講席教授。


  研究方向主要包括柔性電子、微納制造、高分子智能材料、能源轉化與存儲。迄今已在包括Science、Nature Materials、Nature Communication、Advanced Materials、JACS、Angew Chem等高水平SCI期刊發表學術論文190余篇;申請專利25項。創辦Wiley綠色能源環境領域的先進材料期刊《EcoMat》并擔任主編,亦擔任Advanced Materials和Small的客座編輯,以及Advanced Energy Materials的顧問委員會成員。2018年當選香港青年科學院創院院士,2020年當選長江講座教授,2021年當選香港研資局高級研究學者。

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(責任編輯:xu)
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