天津大學研發一步式制備集成型一體化儲能電極新方法

近年來，隨著筆記本電腦、手機等便攜式電子設備以及新能源與清潔能源汽車的快速發展，市場對電池的需求越來越大。傳統的電池電極制備工藝涉及打膠、配料、勻漿、涂布、輥壓、烘烤等近十個步驟，過程繁瑣復雜;還需要使用粘結劑、導電劑、集流體等諸多非活性材料，極大地增加了電池的制備成本并使其實際能量密度大打折扣。日前，從天津大學了解到，天津大學“英才計劃”特聘研究員吉科猛團隊聯合湖南大學譚勇文教授團隊利用鈷磷合金研發出僅用一步即可制成電池電極的電化學腐蝕制備技術。該相關研究成果《基于鈷磷合金箔工程設計用于高效電化學儲能的集成型一體化電極》發表在國際頂級期刊《先進材料》上。

新技術只需要將鈷磷合金放入通電的食鹽溶液中進行選擇性腐蝕和電位調控氧化，便可一步制得電池電極。傳統工藝制成的電極如石墨負極系由活性物質顆粒與非活性助劑混合后無序堆積而成，該電極則在組成上實現了氧化鈷和磷化鈷兩種高活性鈷基化合物的協同集成，并在結構上實現了三維網絡孔狀一體結構的構筑。得益于其一體化結構設計，該電極材料可以像芯片一樣直接組裝電池，而不需要像其它電極材料再進行配料、勻漿、涂布等繁瑣步驟才能用于電池組裝，大大簡化了電池的制備工序。整個電極制備過程不到一個小時，安全綠色且易規模化。

用該技術制成的鈷基化合物電極的活性物質密度是傳統石墨電極的2至3倍。活性物質密度越高，電極的單位體積儲電量就越高。研究結果顯示，新研發的鈷基化合物電極儲電量是同體積石墨電極儲電量的5倍。該 電極集成型組成的協同作用和一體化的結構設計也使其充電速率比傳統石墨電極快了近10倍，滿充滿放時的循環壽命超過6000次，是市售鋰電池循環壽命的2至4倍。

“利用這種技術制備電極只需要兩種原材料，一個是人們日常生活中吃的食鹽，另一個也是工業生產技術非常成熟的金屬合金，除此之外不再需要任何其他助劑和傳統必須使用的集流體。由于食鹽和合金都非常常見且價格低廉，因而我們研發的這種集成型一體化電極具有非常顯著的成本優勢，優異的儲能性能也使其有著十分廣闊的應用前景。” 吉科猛研究員介紹道。

該電極制備技術的成功研發為新型集成型一體化儲能電極的發展開辟了新思路，拓展了工業合金的高附加值應用領域，并可助力于推動電化學腐蝕技術的產業化進程。該研究項目獲得了國家自然科學基金、天津市科技計劃項目以及天津大學國家儲能技術產教融合創新平臺的支持。(劉菲菲 張華)