隨著便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)交通工具市場的快速發(fā)展，人們對于高能量密度、低成本二次電池的需求日益迫切。目前，商用鋰離子電池多采用石墨類負(fù)極材料，其理論比容量僅為372mAh g-1，且壓實(shí)密度較低，限制了鋰離子電池能量密度的進(jìn)一步提升。通過與鋰離子的合金化/去合金化反應(yīng)，金屬負(fù)極通常具有更大的比容量，有望獲得更高的能量密度。以金屬鋁為例，其理論比容量高達(dá)2234mAh g-1（Li9Al4），且儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉。然而，鋁負(fù)極在電池反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的體積膨脹，從而影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性。為了改善這一現(xiàn)狀，研究工作者對金屬負(fù)極采取了納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合金構(gòu)建、復(fù)合材料構(gòu)建等多種修飾方法。然而，基于電池結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)策略還鮮有報(bào)道。

 

基于上述考慮，唐永炳及其團(tuán)隊(duì)成員張松全、王蒙、周志明等成功研發(fā)出了一種具有集流體、負(fù)極活性材料、隔膜三重功能的多功能電極，并將其應(yīng)用于新型高效、低成本的雙離子電池。該電極包含三維多孔聚合物層與具有圖案的金屬鋁箔層兩大組成部分，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使一體化電極獲得優(yōu)秀的吸液、保液能力，并可有效緩解金屬負(fù)極在電化學(xué)反應(yīng)過程中的體積變化及開裂粉化問題。此外，多功能電極設(shè)計(jì)還有效提升了負(fù)極活性材料占比，簡化了電池制造工序，降低了制造成本?；诙喙δ茈姌O材料的雙離子電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：如高工作電壓（平均放電電壓可達(dá)4.2 V），長循環(huán)性能（1000次循環(huán)，容量保持率為92.4%），高能量密度（在10 C充放電速率下能量密度高達(dá)158 Wh kg-1）。該研究成果對高容量、低成本金屬負(fù)極的開發(fā)具有指導(dǎo)意義，有望促進(jìn)基于金屬負(fù)極的二次鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。