港理工郑子剑教授课题组《Adv. Funct. Mater.》: 长循环高比能混合锂离子/锂金属柔性电池

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柔性锂电池的设计制备是近年来的热点研究之一。对比于商业锂离子电池的成熟，如何让柔性锂电池同时实现高能量密度，长循环稳定性和优异的机械柔性是一个重大挑战。近期，香港理工大学郑子剑教授课题组报道了一种基于预锂化碳布负极的混合锂离子/锂金属柔性电池并以“Hybrid Lithium-Ion/Metal Electrodes Enable Long Cycle Stability and High Energy Density of Flexible Batteries “为题发表在材料领域期刊Advanced Functional Materials上。

图1. a.传统锂离子电池循环后容量快速衰减；b.基于预锂化负极的混合锂离子/锂金属电池的机理

对比于传统锂离子电池，混合锂离子/锂金属负极的设计能实现负极能量密度的提升同时获得优异的循环稳定性，相关研究已经有了系列研究进展和报道。在本研究中，作者首次将预锂化技术结合混合锂离子/锂金属这一新颖概念构筑柔性电池，将负极库伦效率提升至99.99%以上，实现了高面容量（2mAh cm^-2）下1000次充放电循环后容量保持84%的优异性能。同时，柔性软包电池可在最小2.5mm的弯曲半径下弯曲400次以上而无明显容量衰减。

图2. 预锂化碳布负极的制备示意图及表征。a. 直接接触预锂化制备预锂化碳布负极示意图。b-c. 原始碳布形貌。d-e. 预锂化碳布形貌图。f. 原始碳布和预锂化碳布的XRD图谱。g-h. 原始碳布和预锂化碳布Li 1s 和C 1s XPS图谱。i-j. 原始碳布和预锂化碳布的EIS和CV曲线。k. 预锂化处理时间对嵌入锂离子容量的影响。

图3. 原始碳布和预锂化碳布负极的电化学性能和行为。a. 原始碳布负极的充放电曲线。b. 原始碳布和预锂化碳布的库伦效率对比。c. 预锂化碳布负极的充放电曲线。d. 原始碳布，电活化碳布，脱嵌后的预锂化碳布和电化学预锂化碳布负极四种样品的库伦效率。e-h. 预锂化碳布负极表面第1次，第25次，第100次和第200次锂金属沉积。

图4. 基于原始碳布和预锂化碳布负极的全电池性能。a. 基于预锂化碳布负极的全电池示意图。b. 匹配LiFePO₄正极的全电池性能。c. 预锂化碳布负极全电池的充放电曲线。d.原始碳布负极全电池的充放电曲线。e.匹配LiCoO2正极的全电池性能。 f. LFP全电池使用原始碳布负极和预锂化碳布负极的能量密度对比。g. LCO全电池使用原始碳布负极和预锂化碳布负极的能量密度对比。

图5. 基于预锂化碳布负极的软包柔性电池性能。a. 软包柔性电池性能。b.不同弯曲状态下柔性电池充放电曲线。c. 软包电池长循环性能。d. 软包柔性电池的外观和弯曲状态下点亮LED面板照片。e. 柔性电池在平直和弯曲状态下点亮柔性LED灯带。

这一研究工作将负极预锂化技术与混合锂离子/锂金属电池的新颖概念相结合并成功应用于长循环高能量密度柔性电池的制备。并且这一技术可推广到其他电池如钠电池，锌电池等体系中以同时实现长循环和高能量密度的目标。

原文链接

Xie, C., Chang, J., Shang, J., Wang, L., Gao, Y., Huang, Q., Zheng, Z. J., Hybrid Lithium-Ion/Metal Electrodes Enable Long Cycle Stability and High Energy Density of Flexible Batteries. Adv. Funct. Mater. 2022, 2203242.
https://doi.org/10.1002/adfm.202203242

作者简介

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郑子剑，香港理工大学纺织与服装学系（ITC）, 智慧能源研究院、智能可穿戴研究院教授。2003年获得清华大学化学工程系工学学士学位，2007年获得剑桥大学化学系博士学位，2008-2009年在美国西北大学Mirkin教授课题组从事博士后研究；2009年加入ITC担任助理教授并成立独立课题组，2013年破格晋升为终身副教授，2017年晋升为教授。研究方向主要包括柔性电子、微纳制造、高分子智能材料、能源转化与存储。迄今已在包括Science、Nature Materials、Nature Communication、Advanced Materials、JACS、Angew Chem等高水平SCI期刊发表学术论文130余篇；申请专利25项。创办Wiley绿色能源环境领域的先进材料期刊《EcoMat》并担任主编，亦担任Advanced Materials和Small的客座编辑，以及Advanced Energy Materials的顾问委员会成员。2018年当选香港青年科学院创院院士，2020年当选长江讲座教授，2021年当选香港研资局高级研究学者。

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