
物理化学学报 >> 2023, Vol. 39 >> Issue (2): 2203043.doi: 10.3866/PKU.WHXB202203043
汪茹1,3, 刘志康1, 严超4, 伽龙2,*(
), 黄云辉2,*(
)
收稿日期:2022-03-25
录用日期:2022-04-26
发布日期:2022-05-09
通讯作者:
伽龙,黄云辉
E-mail:qie@hust.edu.cn;huangyh@hust.edu.cn
作者简介:第一联系人:†These authors contributed equally to this work.
基金资助:
Ru Wang1,3, Zhikang Liu1, Chao Yan4, Long Qie2,*(
), Yunhui Huang2,*(
)
Received:2022-03-25
Accepted:2022-04-26
Published:2022-05-09
Contact:
Long Qie,Yunhui Huang
E-mail:qie@hust.edu.cn;huangyh@hust.edu.cn
About author:Email: huangyh@hust.edu.cn (Y.H.)Supported by:摘要:
面向高能量密度电池的高比容量三元正极材料的应用,使锂离子电池更容易发生热失控,这不仅降低了其安全性, 也限制了锂离子电池的进一步发展。如何在提高能量密度的同时保证电池的安全性是亟待解决的问题。以绝缘高分子薄膜为支撑基材,两侧沉积金属层得到了具有夹芯结构的铝复合集流体能有效保证电池在针刺条件下的安全性,且更轻的复合集流体的使用能进一步提高电池能量密度。但高分子基材与铝金属层之间界面结合力较差,这会导致复合集流体在高温电解液浸泡中发生脱层现象,从而影响其在电池中的使用。本研究采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为支撑基材,通过在铝金属镀层与高分子基材之间引入氧化物中间层,有效地增强了金属与高分子基材之间的界面结合力,提升复合集流体的电解液兼容性。此外,复合集流体良好的机械性能使其能很好地兼容现有的电池制备技术,利用其制备的软包电池表现出与使用传统铝箔为集流体的电池相当的电化学性能。进一步的针刺测试表明,复合集流体能有效阻止锂电池在针刺过程中的热失控,显著改善了电池的安全性能。
汪茹, 刘志康, 严超, 伽龙, 黄云辉. 高安全锂离子电池复合集流体的界面强化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2), 2203043. doi: 10.3866/PKU.WHXB202203043
Ru Wang, Zhikang Liu, Chao Yan, Long Qie, Yunhui Huang. Interface Strengthening of Composite Current Collectors for High-Safety Lithium-Ion Batteries[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39(2), 2203043. doi: 10.3866/PKU.WHXB202203043
表2
复合集流体及其制成极片电解液兼容性试验"
| Step | Detailed operation | Cautions |
| 1.Electrolyte compatibility test of CCs | 1. Take out three kinds of composite current collectors in advance, and take out 5 cm × 5 cm slices in the direction of size 2. Pre-dry the current collector for 12 h at 60 ℃ 3. Packaged in clean aluminum-plastic soft bag with the size of 10 cm × 10 cm 4. Inject 1.5 g electrolyte into the aluminum-plastic film soft bag 5. After sealing, put them into the oven at 25, 60 and 85 ℃ for compatibility test, soak for 72 h | Before soaking, dry the film to remove water, and sufficient electrolyte is injected into the soft bag to ensure that the electrolyte in the soft bag can fully infiltrate the electrode. |
| 2.Electrolyte compatibility test of electrode | 1. Select NCM523 material as positive electrode 2. Pre-dry the current collector at 60 ℃ for 12 h 3. Coating with NCM523 material, the coating area density is 40 mg?cm?2 4. Dry the electrode at 60 ℃ for 24 h 5. Rolled electrode at the compacted density of 3.5 g?cm?3 5. Inject 1.5 g of electrolyte 6. Soak for 24 h at the temperature of 25, 60 and 80 ℃ 7. Observe the delamination after disassembling |
图9
电解液浸泡实验结果:(a,b,c)依次为PET-AlOx-Al集流体25、60及85 ℃下经过72 h的电解液浸泡结果,(d,e,f) PET-AlOx-Al复合集流体制成极片25、60及85 ℃下经过72 h的电解液浸泡结果,(g,h,i)为PET-SiOx-Al复合集流体25、60及85 ℃下经过72 h的电解液浸泡结果,(j,k,l) PET-SiOx-Al复合集流体极片25、60及85 ℃下经过72 h的电解液浸泡结果,(m,n,o)为PET-Al复合集流体25、60及85 ℃下经过72 h的电解液浸泡结果,(p,q,r)为PET-Al复合集流体制成极片25、60及85 ℃下经过72 h的电解液浸泡结果"
| 1 | Guo Q. Solar Energy 2021, (12), 5. |
|
郭骞. 太阳能, 2021, (12), 5.
doi: 10.19911/j.1003-0417.tyn20210318.05 |
|
| 2 | Guan J. ; Li N. W. ; Yu L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (2), 2009011. |
|
关俊; 李念武; 于乐. 物理化学学报, 2021, 37 (2), 2009011.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202009011 |
|
| 3 | Hua G. ; Fan Y. ; Zhang Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (2), 2008089. |
|
华广斌; 樊晏辰; 张千帆. 物理化学学报, 2021, 37 (2), 2008089.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202008089 |
|
| 4 | Zhang S. ; Shen Z. ; Lu Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (1), 2008065. |
|
张世超; 沈泽宇; 陆盈盈. 物理化学学报, 2021, 37 (1), 2008065.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202008065 |
|
| 5 | Wu F. ; Li Q. ; Chen L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 38 (5), 2007017. |
|
吴锋; 李晴; 陈来. 物理化学学报, 2020, 38 (5), 2007017.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202007017 |
|
| 6 | Dong H ; Zhang S ; Li Y ; Xian X ; Yi C ; Liu L ; Yu X ; Han G ; Sheng Y. Energy Storage Sci. Technol. 2019, 8 (S1), 65. |
|
董海斌; 张少禹; 李毅; 羡学磊; 伊程毅; 刘连喜; 于东兴; 韩光; 盛彦锋. 储能科学与技术, 2019, 8 (S1), 65.
doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0052 |
|
| 7 |
Wang Y. ; Ren D. S. ; Feng X. N. ; Wang L. ; Ouyang M. G. Appl. Energy, 2022, 306, 117943.
doi: 10.1016/j.apenergy.2021.117943 |
| 8 |
Li Y. ; Liu X. ; Wang L. ; Feng X. N. ; Ren D. S. ; Wu Y. ; Xu G. L. ; Lu L. G. ; Hou J. X. ; Zhang W. F. ; et al Nano Energy 2021, 85, 105878.
doi: 10.1016/j.nanoen.2021.105878 |
| 9 |
Yun J. H. ; Han G. B. ; Lee Y. M. ; Lee Y. G. ; Kim K. M. ; Park J. K. ; Cho K. Y. Electrochem. Solid State Lett. 2011, 14 (8), A116.
doi: 10.1149/1.3596721 |
| 10 |
Fritsch M. ; Coeler M. ; Kunz K. ; Krause B. ; Marcinkowski P. ; Potschke P. ; Wolter M. ; Michaelis A. Batteries 2020, 6 (4), 60.
doi: 10.3390/batteries6040060 |
| 11 |
Ye Y. S. ; Chou L. Y. ; Liu Y. Y. ; Wang H. S. ; Lee H. K. ; Huang W. X. ; Wan J. Y. ; Liu K. ; Zhou G. M. ; Yang Y. F. ; et al Nat. Energy 2020, 5 (10), 786.
doi: 10.1038/s41560-020-00702-8 |
| 12 |
Pham M. T. M. ; Darst J. J. ; Walker W. Q. ; Heenan T. M. M. ; Patel D. ; Iacoviello F. ; Rack A. ; Olbinado M. P. ; Hinds G. ; Brett D. J. L. ; et al Cell Rep. Phys. Sci. 2021, 2 (3), 100360.
doi: 10.1016/j.xcrp.2021.100360 |
| 13 |
Kang H. ; Park H. ; Park Y. ; Jung M. ; Kim B. C. ; Wallace G. ; Cho G. Sci. Rep. 2014, 4 (1), 5387.
doi: 10.1038/srep05387 |
| 14 |
Shin K. -H. ; Nguyen H. A. D. ; Park J. ; Shin D. ; Lee D. J. Coat. Technol. Res. 2017, 14 (1), 95.
doi: 10.1007/s11998-016-9844-y |
| 15 |
Struller C. F. ; Kelly P. J. ; Copeland N. J. Surf. Coat. Technol., 2014, 241, 130.
doi: 10.1016/j.surfcoat.2013.08.011 |
| 16 |
Kouicem M. M. ; Tomasella E. ; Bousquet A. ; Batisse N. ; Monier G. ; Robert-Goumet C. ; Dubost L. Appl. Surf. Sci., 2021, 564, 150322.
doi: 10.1016/j.apsusc.2021.150322 |
| 17 |
Schissel P. ; Kennedy C. ; Goggin R. J. Adhes. Sci. Technol. 1995, 9 (4), 413.
doi: 10.1163/156856195X00356 |
| 18 |
Mwema F. M. ; Oladijo O. P. ; Akinlabi S. A. ; Akinlabi E. T. J. Alloy. Compd., 2018, 747, 306.
doi: 10.1016/j.jallcom.2018.03.006 |
| 19 |
Kim S. H. ; Kim M. ; Lee J. H. ; Lee S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10 (12), 10454.
doi: 10.1021/acsami.8b00761 |
| 20 |
Bichler C. ; Kerbstadt T. ; Langowski H. C. ; Moosheimer U. Surf. Coat. Technol. 1999, 112 (1–3), 373.
doi: 10.1016/s0257-8972(98)00780-4 |
| 21 |
Cueff R. ; Baud G. ; Benmalek M. ; Besse J. P. ; Butruille J. R. ; Dunlop H. M. ; Jacquet M. Thin Solid Films 1995, 270 (1), 230.
doi: 10.1016/0040-6090(95)06917-8 |
| 22 | Xie C ; Wang K. Plast. Packag. 2018, 28 (2), 8. |
| 谢超杰; 王克俭. 塑料包装, 2018, 28 (2), 8. | |
| 23 | Liu Y ; Wang J ; Xiong L. J. Wuhan Inst. Technol. 2010, 32 (5), 4. |
|
刘玉兰; 汪建华; 熊礼威. 武汉工程大学学报, 2010, 32 (5), 4.
doi: 10.3969/j.issn.1674 |
|
| 24 |
Sundararajan M ; Subramani S. ; Devarajan M ; Jaafar M. J. Mater. Sci: Mater Electron., 2020, 31, 9641.
doi: 10.1007/s10854-020-03507-3 |
| 25 | Zhai L ; Ling G ; Li J. Mater. Rep. 2006, (S2), 274. |
|
翟兰兰; 凌国平; 郦剑. 材料导报, 2006, (S2), 274.
doi: 10.3321/j.issn:1005-023X.2006.z2.080 |
|
| 26 |
Drabold D. A. ; Adams J. B. ; Anderson D. C. ; Kieffer. J. Adhesion 1993, 42 (1–2), 55.
doi: 10.1080/00218469308026570 |
| 27 | Liu Z ; Lin J ; Sun Z ; Gao D. J. Vac. Sci. Technol. 2009, 29 (S1), 94. |
|
刘壮; 林晶; 孙智慧; 高德. 真空科学与技术学报, 2009, 29 (S1), 94.
doi: 10.3969/j.issn.1672-7126.2009.z1.22 |
|
| 28 |
Madocks J ; Rewhinkle J ; Barton L. Mater. Sci. Eng. 2005, 119 (3), 2683.
doi: 10.1016/j.mseb.2004.12.080 |
| 29 | Peacock, A. Handbook of Polyethylene: Structures: Properties, and Applications, 1st ed.; CRC Press. : Boca Raton, FL, USA, 2000; pp. 20–25 |
| 30 | Lv D ; Li W. J. Power Sources 2007, 31 (10), 3. |
|
吕东生; 李伟善. 电源技术, 2007, 31 (10), 3.
doi: 10.3969/j.issn.1002-087X.2007.10.020 |
|
| 31 | Chen, H. Study on the Anti-Corrosion of Alumium Current Collector for Lithium-Ion Battery. Master Dissertation, Harbin Institute of Technology, Harbin, 2009. |
| 陈海. 锂离子电池正极铝集流体耐蚀性能研究. 哈尔滨工业大学[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009. | |
| 32 |
Raveh A. ; Tsameret Z. K. ; Grossman E. Surf. Coat. Technol. 1997, 88 (1–3), 103.
doi: 10.1016/S0257-8972(95)02757-2 |
| 33 |
Alfonsetti R. ; Lozzi L. ; Passacantando M. ; Picozzi P. ; Santucci S. Appl. Surf. Sci. 1993, s70–71, 222.
doi: 10.1016/0169-4332(93)90431-A |
| 34 | Moulder, J. F.; Stickle, W. F.; Sobol, P. E. Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy, 1st ed.; Perkin-Elmer Corporation: Physical Electronics Division 6509 Flying Cloud Drive Eden Prairie, MN 55344, USA, 1992; pp. 55–58. |
| 35 |
Huang C. ; Liu C. H. ; Wu S. Y. Surf. Interface Anal. 2009, 41 (1), 44.
doi: 10.1002/sia.2975 |
| 36 |
Williams K. R. ; Gupta K. ; Wasilik M. J. Microelectromech. Syst., 2003, 12, 761.
doi: 10.1109/JMEMS.2003.820936 |
| 37 |
Williams K. R. ; Gupta K. ; Wasilik M. J. Microelectromech. Syst. 2003, 12 (6), 761.
doi: 10.1109/jmems.2003.820936 |
| [1] | 祝鑫彤, 曹斌, 闫崇, 唐城, 陈爱兵, 张强. 锂离子电池石墨负极包覆研究进展[J]. 物理化学学报, 2025, 41(9): 100096 - . |
| [2] | 宋亮亮, 梁颢严, 李顺清, 邱报, 刘兆平. 超高比能电池高锰富锂层状氧化物正极材料面临的挑战与解决策略[J]. 物理化学学报, 2025, 41(8): 100085 - . |
| [3] | 黄奥羽, 许君, 黄玉, 储圭, 王卯, 王黎丽, 孙永奇, 蒋臻, 朱晓波. 通过简单的浆料添加剂调整电极-电解液界面以实现稳定的高电压锂离子电池[J]. 物理化学学报, 2025, 41(4): 100037 - . |
| [4] | 林学宇, 王瑞琦, 董武杰, 黄富强. 高性能双金属氧化物负极的理性设计及储锂特性[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3): 100021 - . |
| [5] | 黄辰悦, 郑鸿飞, 秦宁, 王灿沛, 王利光, 陆俊. 单晶高镍三元正极材料:挑战与策略[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 2308051 - . |
| [6] | 张景硕, 翟越, 赵子云, 何家兴, 魏伟, 肖菁, 吴士超, 杨全红. 锂离子电池硅基负极用功能粘结剂的研究进展[J]. 物理化学学报, 2024, 40(6): 2306006 - . |
| [7] | 李莹, 赵钰燊, 陈凯, 刘旭, 伊廷锋, 陈立锋. 高性能锂离子电池用N掺杂C-Sn交联纳米纤维自支撑电极的理性设计[J]. 物理化学学报, 2024, 40(3): 2305007 - . |
| [8] | 胡雪晨, 夏求应, 岳钒, 何欣怡, 梅正浩, 王金石, 夏晖, 黄晓东. LiNbO3负极薄膜电化学性能及全固态薄膜锂离子电池应用[J]. 物理化学学报, 2024, 40(2): 2309046 - . |
| [9] | 张思宇, 谷昆泓, 鲁兵安, 韩俊伟, 周江. 退役锂离子电池正极的湿法冶金回收工艺:可持续技术的进展与应用[J]. 物理化学学报, 2024, 40(10): 2309028 - . |
| [10] | 李琪, 黎平安, 刘泽通, 张佳辉, 张浩, 余维来, 胡先罗. 同轴静电纺丝构筑微/纳米结构隔膜与电极材料用于锂离子电池:从原理到应用[J]. 物理化学学报, 2024, 40(10): 2311030 - . |
| [11] | 鲁航语, 侯瑞林, 褚世勇, 周豪慎, 郭少华. 高比能锂离子电池层状富锂正极材料改性策略研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(7): 2211057 -0 . |
| [12] | 朱思颖, 李辉阳, 胡忠利, 张桥保, 赵金保, 张力. 锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2103052 - . |
| [13] | 杨越, 朱加伟, 王鹏彦, 刘海咪, 曾炜豪, 陈磊, 陈志祥, 木士春. 镶嵌于NH2-MIL-125 (Ti)衍生氮掺多孔碳中的花状超细纳米TiO2作为高活性和稳定性的锂离子电池负极材料[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2106002 - . |
| [14] | 莫英, 肖逵逵, 吴剑芳, 刘辉, 胡爱平, 高鹏, 刘继磊. 锂离子电池隔膜的功能化改性及表征技术[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2107030 - . |
| [15] | 吴锋, 李晴, 陈来, 王紫润, 陈刚, 包丽颖, 卢赟, 陈实, 苏岳锋. 高镍正极材料中钴元素的替代方案及其合成工艺优化[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2007017 - . |
|
||