AM综述：用于锂离子电池无粘结剂纳米结构电极的先进基底

兔兔

2020-04-21

商用锂离子电池（LIBs）电极中存在绝缘和电化学惰性的粘结剂，会导致活性物质分布不均匀，这些材料与基底接触不良，从而会降低电池性能。因此，开发了具有无粘合剂设计的纳米结构电极，其具有许多优点，包括大的表面积、对基底的强附着力、高的面积/比容量、快速的电子/离子转移，以及缓解体积膨胀的自由空间，从而带来卓越的电池性能。基于此，清华大学李宝华、Xianying Qin与佐治亚理工学院Zhiqun Lin等人系统地综述了近年来金属、碳质材料、聚合物等不同类型的支撑基底以及其它用于无粘结剂纳米结构电极基底的研究进展。

本文要点：

1）众多新颖的2D平面和3D多孔金属支撑基底（例如Ti、Ni、Au、Pt和不锈钢箔，Ni和Cu的泡沫），含碳材料（例如石墨烯、CNT、CNF和碳布）和聚合物以及其他候选材料，由于其独特的特性，已被开发和研究作为负载活性材料的衬底。金属基衬底中，常见的钛、镍、不锈钢等金属箔因其良好的导电性和电化学稳定性，常用于苛刻的酸性或碱性环境中直接生长纳米活性材料。基于优异的电导率，重量轻和超高柔韧性，将碳质基底制成自支撑膜，以沉积纳米结构活性材料，从而形成具有优异电化学性能无粘合剂纳米结构负极。

2）此外，系统地总结了这些无粘结剂纳米结构电极在实际的全电池结构LIBs，特别是全柔性/可拉伸LIBs中的潜在应用。最常见的支撑基底的主要性质，对全电池的电化学性能和应用价值起着重要的决定性作用。对每个基底进行了成本、柔性、负载质量、倍率性能和负载基底的常用活性材料循环稳定性的评估。

3）最后，讨论了基于无粘结剂纳米结构电极锂电池的未来机遇和挑战。首先，制造能够结合各种材料优点的复合衬底是进一步提高电池性能的一种聪明而有效的策略。其次，支撑基底与活性材料之间的粘附机理尚不清楚，值得特别关注。衬底与活性材料之间的粘附行为不仅影响整个电极的机械强度和柔性，而且影响界面的电子/离子输运。第三，在低成本、高机械强度、高柔韧性和高质量载荷以及与多种活性材料的匹配等方面，值得寻找新的衬底材料。在这方面，许多重要的方面包括电极材料的结构设计、全电池性能、电化学反应机制、安全问题值得深入研究。

Lihan Zhang, et al. Advanced Matrixes for Binder-Free Nanostructured Electrodes in Lithium-Ion Batteries. Adv. Mater. 2020, 1908445.

DOI: 10.1002/adma.201908445.

https://doi.org/10.1002/adma.201908445