三维电沉积技术及其在充电电池中的应用

Materials synthesis often provides opportunities for innovation. Flexible electronics demand the power supplies that can match their mechanical properties. Traditional lithium ion batteries use binders to prevent active particles from detaching off current collectors. Such an electrode structure fails after bending several times, indicating its incapability of satisfying the requirements of flexibility. New electrode structure and its preparation technology are highly demanded. Most positive electrode materials of lithium ion batteries are brittle insulators, which are usually synthesized at 700~1000 °C. In order to circumvent the slurry-based traditional technology, a bicontinuous structure with deposited active materials on flexible scaffold is proposed to realize the flexibility of positive electrodes. However, flexible scaffolds are chemically unstable at high temperatures. It is very difficult to prepare flexible positive electrodes using the traditional material synthesis technologies. In this proposal, we make full use of thermal and electrochemical activation to electrodeposit high-quality positive materials on flexible scaffold. The novel technology will produce reliable chemical power sources for flexible electronics and meet their requirements on electrochemical and mechanical properties.

研究新型材料制备化学为应用创新提供可能，例如柔性电子产品需要力学性能与之匹配的化学电源，传统锂离子电池靠粘接剂将活性颗粒与导电剂和集流体粘结在一起，这种结构在弯折数次之后失效，不能满足新型柔性电子产品的需求。因此必须开发新型电极结构和相应的制备化学工艺。锂离子电池正极材料通常是脆性绝缘体，且需要在700～1000 °C高温合成。为了克服以颗粒-粘接剂为基础的传统工艺的劣势，制备可多次弯折的柔性正极，本项目提出在柔性骨架或基体上直接沉积正极材料形成力学性能较好的新型双连续正极结构，然而柔性骨架高温不稳定，无法使用传统材料合成工艺，因此制备可弯折的柔性正极难度较大。本项目将开发新型电沉积工艺，结合温度活化和电化学活化两种手段，实现双连续结构目标，制备电化学性质和力学性质两方面能同时满足柔性电子产品需求的锂离子电池正极，为柔性电子产品市场化提供新型可靠的柔性化学电源。

研究新型材料制备化学为应用创新提供可能，例如柔性电子产品需要力学性能与之匹配的化学电源，传统锂离子电池靠粘接剂将活性颗粒与导电剂和集流体粘结在一起，这种结构在弯折数次之后失效，不能满足新型柔性电子产品的需求。因此必须开发新型电极结构和相应的制备化学工艺。锂离子电池正极材料通常是脆性绝缘体，且需要在700～1000 °C高温合成。为了克服以颗粒-粘接剂为基础的传统工艺的劣势，制备可多次弯折的柔性正极，本项目提出在柔性骨架或基体上直接沉积正极材料形成力学性能较好的新型双连续正极结构，然而柔性骨架高温不稳定，无法使用传统材料合成工艺，因此制备可弯折的柔性正极难度较大。本项目将开发新型电沉积工艺，结合温度活化和电化学活化两种手段，实现双连续结构目标，制备电化学性质和力学性质两方面能同时满足柔性电子产品需求的锂离子电池正极，为柔性电子产品市场化提供新型可靠的柔性化学电源。..经过基金四年的支持下，本项目进展顺利，在低熔点的氢氧化物熔盐中发现了对锂离子电池至关重要的过度族金属钴锰镍的热力学优势区，通过调节电镀参数获得了沉积钴酸锂和锰掺杂的钴酸锂等正极低温一步沉积工艺，在这种新工艺的支持下，本项目能够在弯曲表面上沉积锂离子电池，该工艺实现了三种不同类型的电池应用：（1）高负载全固态正极制备；（2）高负载高功率多孔电极；（3）在碳纳米纤维上沉积共形互锁的锂离子电池正极。这些是传统刷浆工艺不容易获取的应用，直接电镀技术弥补了传统工艺在这方面的劣势。同时在基金支持下，本项目还开发了梯度电镀技术实现了高通量合金负极的筛选工艺，在多孔金属实现反浓度梯度沉积调控金属电极中锂的沉积行为实现了高达40 mAh cm−2的面载量。结合本项目在正负极直接电镀方面的成果，制备了绳状电池，获得了稳定的循环性质，并拓展了该柔性电池的应用。