深圳先進院研發出基於預合金化鋁負極的高性能鋰離子雜化電容器

近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究員及其研究團隊提出一種通過同步預合金化與構築人造固態電解質界面（SEI）膜的策略，顯著改善了高容量鋁金屬負極的穩定性，並成功用於高性能鋰離子雜化電容器。相關研究成果以"Simultaneously pre-alloying and artificial solid electrolyte interface towards highly stable aluminum anode for high-performance Li hybrid capacitor"（同步預合金化以及人造SEI膜構築的鋁負極用於高性能鋰離子雜化電容器）爲題在線發表於國際著名材料期刊Energy Storage Materials（DOI: 10.1016/j.ensm.2020.03.021, CiteScore:15.09）上。

相比較於傳統石墨負極，合金化負極如硅、鋁、錫等具有高的理論比容量，有利於進一步提高電池的能量密度。以鋁負極爲例，其合金化容量達到993 mAh g-1（LiAl）， 約爲石墨負極的2.7倍。然而，合金化負極在充放電過程中往往面臨着嚴重的體積膨脹（Si: ~300%； Al: ~97%； Sn: ~260%），從而造成電極粉化，導致電池循環穩定性不佳。

鑑於此，唐永炳研究員及其團隊成員歐學武、張閣等人在考察了不同添加劑與多種負極的匹配行爲後，選擇一種含氟鋰鹽（LiDFOB）作爲添加劑對鋁負極進行同步預合金化和構築人造固態電解質界面（SEI）膜處理。該添加劑可以通過開環反應進行聚合，有助於在鋁負極表面形成富LiF的人工SEI膜，從而提高SEI膜的穩定性。此外，LiAl合金層可以補償鋰離子在充放電過程中的不可逆損耗，從而提高鋁負極的循環性能。將上述改性鋁負極與活性炭正極進行匹配後成功構築出一種新型鋰離子雜化電容器，該雜化電容器在1.5-4.5 V的電壓範圍內表現出高達123.6 mAh g-1的比容量和優異的循環穩定性，2000次循環後的容量保持率爲~86%。該工作對優化合金化負極穩定性以及構建新型儲能器件具有指導意義。

該研究得到了國家自然科學基金，廣東省科技計劃、深圳市科技計劃等項目資助。

（a）通過同步預合金化以及構築人造SEI膜提高鋁負極循環穩定性的機制；（b）DFOB-在鋁負極表面的還原機制以及DFOB-接受電子後的電荷差分圖；（c）DFOB-通過開環反應進行還原和聚合的機制

（作者：集成所功能薄膜材料研究中心 歐學武）