接上文《雙極性電極，1000公里續(xù)駛里程的助推器？(一)》，聊一下EMBATT里面的提到的雙極性電極bipolar electrode。雙極性電極的概念由來(lái)已久，在鋰離子電池上的應(yīng)用也很久了，單是一直沒(méi)有被大規(guī)模應(yīng)用。

下圖對(duì)比了傳統(tǒng)鋰離子電池(a圖)和雙極性鋰電池(b圖，這里是以金屬鋰和全固態(tài)為例)。a圖中，每個(gè)電池單元unit cell包括了正極(一般涂覆在Al基材)、負(fù)極(一般涂覆在Cu基材)；b圖中，每個(gè)電池單元unit cell同樣包括了正極、負(fù)極，但是正極、負(fù)極活性材料共用一個(gè)基材：當(dāng)兩個(gè)電池單元串聯(lián)起來(lái)時(shí)，雙極性電極的一側(cè)在當(dāng)前單元電池作為負(fù)極，另一側(cè)在相鄰單元電池中是作為正極。

雙極性電極的研究早在二、三十年以前就已經(jīng)出現(xiàn)。例如在20實(shí)際九十年代，美國(guó)雅迪尼(Yardney)技術(shù)公司就對(duì)雙極鋰離子電池展開(kāi)了研究。雙極性電池設(shè)計(jì)可以將單元電池cell-stack中相鄰cell之間的電阻最小化，使得每個(gè)雙極性cell種的正負(fù)極活性涂層表面上的電流和電勢(shì)達(dá)到更加均勻的分布，因此，采用雙極性cell構(gòu)成的電池具有更高的功率特性。下圖Fig1是一個(gè)典型的由多個(gè)雙極性電池單元構(gòu)成的雙極性鋰離子電池截面圖，F(xiàn)ig2是提取出來(lái)的其中一個(gè)雙極性電池單元。其中，12a、12b，…，12n是電池單元；14a、14b，…，14n是電池單元的正極側(cè)；16a、16b，…，16n是電池單元的負(fù)極側(cè)；18a、18b，…，18n隔膜；20b、20c，…，20n是集流體(例如，F(xiàn)ig2中的14a和16b共用一個(gè)集流體)，集流體可采用雙金屬基材，例如，Cu-Al雙金屬，負(fù)極活性物質(zhì)涂敷在Cu側(cè)，正極活性物質(zhì)涂敷在Al側(cè)；24是負(fù)極活性物質(zhì)，26是正極活性物質(zhì)；28a、28b，…，28n是絕緣性連接固定結(jié)構(gòu)，每個(gè)雙極性電極通過(guò)該連接結(jié)構(gòu)固定起來(lái)。在Fig1和Fig2中，一共有n-1個(gè)雙極性電極(集流體兩側(cè)分別有正極、負(fù)極活性物質(zhì))，最上層20a只有負(fù)極一側(cè)，另一側(cè)跟負(fù)極極柱29相連，最下層20n+1只有正極一側(cè)，另一側(cè)跟正極極柱29相連。

下圖Fig3是雙極性電極的堆疊stack，可以稱(chēng)之為電堆40。其中，32是隔膜；34是集流體；36是雙極性電極，兩側(cè)分別是正負(fù)極活性物質(zhì)?；窘Y(jié)構(gòu)與上面的示例是一樣的。

下圖是含有三個(gè)雙極性電極的CR2032鈕扣電池。正極是LFP，負(fù)極是金屬鋰，采用準(zhǔn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)和不銹鋼集流體。從電壓曲線可以看到，只要改變雙極性電極的unit數(shù)量，就能改變電池的電壓，這里給的分別是1unit、2units、3units的電壓曲線。例如，很容易通過(guò)5個(gè)雙極性的unit實(shí)現(xiàn)一個(gè)12V的鋰離子電池，下圖右側(cè)是日本東芝公司的一個(gè)12V雙極性電池的部分截面圖，從表1的參數(shù)中可以看到，這里正極材料是LiMn0.85Fe0.1Mg0.05PO4，負(fù)極材料是LTO，集流體是Al，固態(tài)電解質(zhì)電解質(zhì)是Li7La3Zr2O12(LLZ)和PAN。從封裝方式來(lái)看，疊片式軟包裝是比較適合雙極性電池的一種方式。

從上面的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)來(lái)看，采用雙極性電極結(jié)構(gòu)，很容易就可以實(shí)現(xiàn)電池的高壓，這比通過(guò)將多個(gè)電池串聯(lián)起來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓的方法要更加高效：減少了電池的無(wú)效配裝空間、降低了連接電阻。相比較如今在開(kāi)發(fā)高電壓正極材料上的緩慢進(jìn)展，雙極性電極不失為一種可能

的更加快捷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池高電壓輸出。當(dāng)然，正如在前面(一)所說(shuō)的那樣，真正的實(shí)際應(yīng)用還需要解決很多生產(chǎn)制造上的問(wèn)題。

參考

Bipolar lithium-ion battery development. Journal of Power Sources 65(1997) 133-141

US Patent 5595839

Journal of The Electrochemical Society, 164 (1) A6254 (2017)

Scientific Reports. DOI: 10.1038/srep08869

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