全新聚合物涂层可大幅提升电动汽车电池性能

诸平

据美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory简称LBL）2023年3月7日提供的消息，该实验室的化学科学家已经开发出一种名为HOS-PFM的导电聚合物涂层，可以为电动汽车提供更持久、更强大的锂离子电池。详见“新型聚合物涂层可大幅提升电动汽车电池性能”（Electric Vehicle Batteries Could Get Big Boost With New Polymer Coating）。

“这一进展为开发更经济、更容易制造的电动汽车电池开辟了新途径。”领导了这种材料的开发的伯克利实验室（LBL）能源技术领域的资深科学家刘高（Gao Liu音译）说。

HOS-PFM涂层可同时传导电子和离子。这可确保电池稳定性和高充电/放电率，同时延长电池续航时间。刘高教授补充说，这种涂层还可以作为电池粘合剂，将锂离子电池的平均寿命从10年延长到15年。相关研究结果于2023年1月5日已经在《自然能源》（Nature Energy）杂志网站发表——Tianyu Zhu, Hadas Sternlicht, Yang Ha, Chen Fang, Dongye Liu, Benjamin H. Savitzky, Xiao Zhao, Yanying Lu, Yanbao Fu, Colin Ophus, Chenhui Zhu, Wanli Yang, Andrew M. Minor, Gao Liu. Formation of hierarchically ordered structures in conductive polymers to enhance the performances of lithium-ion batteries. Nature Energy, Published: 05 January 2023. Volume 8, pages 129–137. DOI: 10.1038/s41560-022-01176-6. https://dx.doi.org/10.1038/s41560-022-01176-6

为了展示HOS-PFM的出色导电性和粘附性，刘高和他的团队在铝和硅电极上涂上了HOS-PFM，并在锂离子电池装置中测试了它们的性能。

硅和铝是很有前途的锂离子电池的电极材料，因为它们具有潜在的高储能能力和轻薄的外形。但这些廉价而丰富的材料在多次充电/放电循环后会很快磨损。

在先进光源( Advanced Light Source)和分子铸造（Molecular Foundry）的实验中，研究人员证明，HOS-PFM涂层可显著防止硅和铝基电极在电池循环期间降解，同时可提供300次以上的充电放电循环的高电池容量，其性能与当今最先进的电极相当。

刘高说，结果令人印象深刻，因为硅基锂离子电池的充放电周期和寿命通常有限。研究人员发表在《自然能源》杂志上的论文描述了这些发现。

HOS-PFM涂层可以使用含80%硅的电极。如此高的硅含量可以使锂离子电池的能量密度增加至少30%，刘高说。他补充说，由于硅比石墨（当今电极的标准材料）便宜，廉价的电池可以显著增加入门级电动汽车的普及率。

该团队下一步计划与企业合作，将HOS-PFM技术应用于大规模生产。先进光源和分子铸造是美国能源部伯克利实验室科学办公室的用户设施（DOE Office of Science user facilities at Berkeley Lab）。丰田研究所（Toyota Research Institute）为此项研究提供了额外资金。

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Abstract

Electrically conductive polymers have found increasing applications in energy conversion and storage devices. In the conventional design of conductive polymers, organic functionalities are introduced via bottom-up synthetic approaches to enhance specific properties by modification of the individual polymers. Unfortunately, the addition of functional groups leads to conflicting effects, limiting their scaled synthesis and broad applications. Here we show a conductive polymer with simple primary building blocks that can be thermally processed to develop hierarchically ordered structures (HOS) with well-defined nanocrystalline morphologies. Our approach to constructing permanent HOS in conductive polymers leads to substantial enhancement of charge transport properties and mechanical robustness, which are critical for practical lithium-ion batteries. Finally, we demonstrate that conductive polymers with HOS enable exceptional cycling performance of full cells with high-loading micron-size SiOx-based anodes, delivering areal capacities of more than 3.0 mAh cm⁻² over 300 cycles and average Coulombic efficiency of >99.95%.