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3D螺旋结构固态锂电池，电池界的未来?
2018-06-14
来源：转载自第三方
2018-6-14
近日，来自美国康奈尔大学的J.G. Werner等人[1]设计了一种3D螺旋结构多功能固态锂离子电池，极大的减少了电池内部的空间浪费，提升锂离子电池的能量密度。该研究成果已经以题为“Block copolymer derived 3-D interpenetrating multifunctional gyroidal nanohybrids for electrical energy storage”的文章发表于期刊“Energy & Environmental Science”。
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传统锂离子电池的基本结构是二维结构，主要存在两个问题：非活性物质占比高，降低了电池的比能量；电池正负极与隔膜之间存在大量的孔隙，浪费内部空间，导致电池体积能量密度降低。在该项设计中，研究人员将正极和负极相互交织在一起，中间是一层纳米级别的固体电解质：
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负极——螺旋介孔碳（GDMC），具有低嵌锂电势、良好的导电性，以及大量连续、均匀分布的微孔。该研究中制得的GDMC微孔直径在40nm左右，孔隙率为63%，碳壁厚度大约为15nm，比容量约为220mAh/g；
固体电解质——聚合物电解质，具有安全性高、力学柔性、黏弹性和易成膜等诸多优点，被认为是下一代高能存储器件中最具潜力的电解质之一。Werner等人采用电聚合的方式在螺旋介孔碳的表面均匀的生成了一层不足10nm的聚苯醚聚合物电解质层。
正极——硫（S），考虑到聚合物电解质的电化学窗口和负极中微孔的直径，研究人员选择了硫作为电池的正极材料，并通过在电极中注入EDOT，原位聚合成为具有良好导电性的PEDOT，来解决S正极导电的问题。
进行嵌锂之后，3D结构的锂离子电池最终完成。
该固态锂离子电池，具备独特的3D螺旋结构，减少电池内部空间浪费的同时，提升了电池的重量能量密度和体积能量密度。虽然目前还存在诸多问题，但其仍然具有极大的优势，有望引领锂离子电池界的未来。
参考文献
[1] J. G. Werner, G. G. Rodríguez-Calero, H. D. Abruñ, et al. Block copolymer derived 3-D interpenetrating multifunctional gyroidal nanohybrids for electrical energy storage. Energy Environ. Sci., 2018,11, 1261-1270.
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