攻克下一代二次电池商业化难题

Published 25 Jul.2023 15:17(KST)

生技研-DGIST开发水系锌离子电池厚膜正极技术
容量与耐久性较以往更高

韩国研究团队解决了作为下一代二次电池而备受关注的水系锌离子电池的缺点，在实现大容量化和提高耐久性等方面找到了迈向商业化的突破口。

展示已制备厚膜正极的生技院清洁健康研究组金燦勋博士。图片由生技院提供

韩国生产技术研究院与大邱庆北科学技术院（DGIST）联合研究团队25日表示，他们成功开发出“水系锌离子电池厚膜正极技术”这一下一代二次电池关键技术，为解决商业化最大障碍——低面容量问题提供了重要线索。

原本以小型移动设备为中心应用的二次电池，随着被用于电动汽车、能源储存系统（ESS）等中大型设备，正日益成为未来能源产业的核心。但近期ESS火灾事故频发，安全性争议不断升级。由于“水系锌离子电池”采用水基电解质，不存在起火风险，安全性较高。然而，在制备“厚膜正极”时，容量大幅下降的技术瓶颈一直阻碍其商业化。厚膜正极是指在承担电子传输通道作用的集流体上，厚涂能够产生电能的活性物质所形成的电极，是提升二次电池能量密度的关键。例如，将4片厚度为30微米（㎛）的正极更换为1片厚度为120㎛的厚膜正极，电池整体厚度可降低30%以上，而能量密度则会提升。

研究团队通过赋予已商业化锂离子电池正极用粘结剂（用于使活性物质和导电剂牢固附着在集流体上的粘合材料）亲水性，解决了水系锌离子电池的容量下降问题。锂离子电池通常使用聚偏二氟乙烯（PVdF）作为将正极活性物质和导电剂粘结到集流体上的粘结剂，但作为含氟高分子材料的PVdF具有疏水性，不易与水分子结合，从而妨碍成品正极被水系电解质充分润湿。导电剂则是在正负极活性物质之间促进电子传导的物质。

尤其是正极越厚，其曲折度（Tortuosity）越高，水系电解质越难渗入电极内部，未被电解质浸润的正极区域无法顺畅获得锌离子供应，从而限制了水系电池容量的发挥。研究团队仅通过简单的磺化反应，就将现有锂离子电池粘结剂改性为具有亲水性的磺化聚偏二氟乙烯（Sulfonated PVdF，S-PVdF），破解了长期存在的难题。磺化反应（芳香族磺化，Aromatic Sulfonation）是一种用于提高燃料电池用高分子电解质膜亲水性的取代反应。通过磺化反应改性（Reforming）得到的S-PVdF粘结剂，分子内含有丰富的磺酸盐官能团（Functional Group），

与传统PVdF相比，其对水系电解质的润湿性显著提高，离子电导率也提升了约10倍。

由于磺酸盐官能团提高了S-PVdF粘结剂的极性，从而增强了正极活性物质在电极内部的分散性，因此在制备高能量密度厚膜正极时，得以改善此前最大难题——电极内部活性物质、粘结剂和导电剂分布不均及附着力不足的问题。利用开发出的S-PVdF粘结剂制备出以正极活性物质为基准、面负载量为6㎎/㎠的厚膜电极进行分析后发现，其初始可逆容量较传统电极提高了20%以上。此外，在3000个充放电循环过程中，与采用PVdF的正极相比，该电极持续表现出更高的可逆容量，并能有效抑制正极溶出，即使在高温条件下，容量保持率也提高了2倍以上。