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学院在3D打印锂离子电池新进展发表Adv. Energy Mater封面文章
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      可充电锂离子电池因其具备高的功率密度在能量存储方面扮演着重要角色。锂离子电池所面临的一个关键的挑战就是如何同时实现高倍率性能和容量,这对便携式电子设备,电动车以及可再生能源智能电网都有很大的影响。尽管超级电容器能够实现快速的充放电,但是与锂离子电池相比其容量太低同时成本太高。因此提高锂离子电池倍率性能和容量是现在研究的主要方向。

图: AEM 2016年10月 封面

      北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋课题组最近将磷酸铁锰锂电池材料和3D打印技术进行结合,实现了电池的超高倍率性能和容量。3D打印技术在最近几年有快速的发展,因其能够快速成型低成本等特点被广泛应用,同时通过控制流速和压力能够打印出不同厚度和宽度的材料,且其均一性也很好。3D打印技术在锂离子微电池领域已经有很广泛的应用,本篇文章巧妙的实现了磷酸铁锰锂电池材料和3D打印技术的结合,并制备了3D-printing电极,在100C的条件下能够达到108 mAh g-1, 10C和20C的电流密度下循环1000次有150 和140 mAh g-1的容量保留。然后利用赝二维隐马尔科夫模型 (Pseudo 2D Hidden Markov Model) 对3D打印电极和传统电极的实验数据进行分析,第一次阐述了实现锂离子电池高倍率性能的关键因素。结果显示,在100C的电流密度条件下,锂离子体相扩散不是影响倍率性能的决策步,然而溶质扩散、有效孔隙率、电极厚度等对实现高倍率容量起到了关键作用。同时,计算发现在电极厚度超出一定范围后,上述因素对等效扩散系数影响很大,这决定着锂离子电池的整个动力学过程。这些基础研究为设计拥有优越电化学性能的锂离子电池提供了有利的指导。

       

(a)

(b)

图:(a) 3D打印锂电池正极材料和(b)磷酸铁锰锂电池材料的倍率性能

      该研究成果近期以全文形式发表在Advanced Energy Materials (Adv. Energy Mater. 2016, 1600856, 影响因子IF=15.23)上,该工作由潘锋教授指导,由15级博士生胡江涛,13级硕士蒋仪和崔岁寒合作完成。

 

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文章链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201670105/full