可加热聚合物集流体用于寒冷气候电池运行的锂离子电池

研究简介

低温运行仍然是锂离子电池(LIB)面临的一大挑战，主要原因是阻碍了离子传输和锂枝晶的形成。本文提出了一种嵌入聚酰亚胺/碳纳米管(PI/CNT)焦耳加热层的聚合物基复合集流体(CC)，可实现快速、低电流内部加热，从而提升电池在低温环境下的性能。所得可加热H─AlCC在97mA电流和25V电压下可实现高达77.5°C的均匀表面温度，加热速度比传统的外部方法快三倍，同时与商用AlCC相比质量减轻了29.9%。当该设计集成到软包电池中时，0°C下的放电容量可提升3.35倍（2.78Ahvs0.83Ah），并且在0.5C下长时间循环后容量保持率仍高达97.9%。从机制上讲，局部加热加速了Li⁺的传输并改变了成核行为，即使在零下温度下也能有效抑制枝晶生长并促进锂离子致密均匀的沉积。这种可扩展的轻量化加热策略提供了一种可靠的解决方案，可在不改变核心电池结构的情况下，提高锂离子电池在寒冷气候下的安全性和电化学性能。

图文导读

图1.使用a)商用CC和b)可加热复合CC设计的电池中锂离子传输和锂沉积的示意图。c)获得的大尺寸（30厘米×10厘米）H─Al和H─CuCC的数码照片。d)H─Al和e)H─CuCC的XRD。f)Cu、H─Cu、Al和H─AlCC的密度比较。g)H─Al和i)H─CuCC的表面SEM图。h)H─Al和j)H─CuCC的横截面SEM图。

图2. a)红外相机图像和b)可加热PI/CNTs薄膜在不同施加电压下的温度分布。c)PI/CNTs薄膜在0至25V电压范围内的加热电流和相应的功耗。d)不同电压下采用H─AlCC的电池的温度分布。e)采用H─AlCC的电池的稳定性和红外相机图像。在低于−22°C的温度下使用H─AlCC的电池的数码照片和红外相机图像f)无加热电流，和g)有加热电流。h)切割测试后采用H─AlCC组装的软包电池的数码照片。

图3. a)充放电曲线，b)DQ/DV曲线，c)使用Al和H─AlCC的软包电池对应的ΔV。d)倍率性能，e)使用Al和H─AlCC的软包电池在0.1至1C范围内对应的首次效率。f)0°C和g)−22°C条件下，使用Al和H─AlCC的软包电池的长期循环稳定性。

图4. a)提出的锂核生成和生长机制示意图。b)SEM图和c)相应的锂颗粒在不同温度下的尺寸分布直方图，容量限制为0.1mAhcm−2。d)在0.05mAcm−2电流密度下，不同温度下锂电沉积过程的计时电流比较。插图显示了原子核尺寸与电化学过电位之间的关系。e)在25°C下加热和f)未加热后，在1C下循环100次后锂金属表面的表面SEM图像。g-i)在0°C下加热和h-j)未加热后，在1C下循环200次后锂金属表面的表面和横截面SEM图。

图5. a)使用可加热CC的3Ah软包电池的数码照片和红外相机图像。b)比较具有可加热CC的电池和热箱中的电池的加热速率。c)使用Al和H─AlCC在0°C下对3Ah软包电池进行的充放电曲线、d)倍率性能和e)相应的容量保持率（从0.05到1C）。f)使用Al和H─AlCC在0°C下对3Ah软包电池进行的长期循环稳定性比较。g)使用Al和H─AlCC在0°C下对循环电池的满充电负极电极进行的数码照片。

研究结论

本工作通过设计嵌入PI/CNT焦耳加热层的聚合物基复合集流体（CC），开发了一种可扩展且轻量化的锂离子电池内部加热策略。这些可加热CC能够在低工作电流（25V时97mA）下实现快速、均匀的升温，同时与充放电路径保持电隔离。与传统的聚合物基金属CC相比，该可加热设计不仅实现了升温速度提高三倍、质量大幅减轻（与CuCC相比减重高达62.2%），而且显著提高了低温电化学性能。在0°C下，包含可加热CC的软包电池放电容量提高了3.35倍，并在0.5C的长时间循环中保持97.9%的容量保持率。实际测试结果表明，新型可加热CC策略实现了高能效，仅消耗电池总能量的4.0%。此外，内部加热可促进锂的均匀沉积，有效抑制枝晶的形成，即使在零下22摄氏度的低温下也能确保电池安全稳定地运行。该策略提供了一种在不改变现有电池架构的情况下实现高性能、耐寒储能系统的实用方法，为在电动汽车、航空航天和极端环境条件下的电网储能领域广泛部署铺平了道路。