近日，韩国忠南国立大学材料科学与工程系Hyun-Suk Kim教授在Energy & Environmental Materials上发表题为“Confluence of ZnO and PTFE Binder for Enhancing Performance of Thin-Film Lithium-Ion Batteries”的研究型论文。
1.作者通过将聚四氟乙烯（PTFE）与氧化锌（ZnO）结合，开发出一种新的薄膜复合电极。这种创新的设计通过减少活性材料上的应力和减轻体积变化效应，显著提高了薄膜锂离子电池（TF-LIBs）的机械稳定性。这种改进使得ZnO/PTFE薄膜在100个循环后保持82%的容量保持率，相比于传统的ZnO薄膜有显著提升。
2.采用射频磁控共溅射法将ZnO和PTFE结合，这种简单而有效的方法确保了在薄膜复合电极中形成牢固的结合。通过这种方法，薄膜的机械稳定性和电化学性能得到了大幅提升，为未来的薄膜电池材料设计提供了新的思路。
研究背景
随着电子器件的尺寸不断缩小，特别是在物联网时代，人们对创新的储能解决方案的需求越来越大。这对于可穿戴电子、植入式设备和自主传感器等需要专门的微存储选项的应用尤其重要。薄膜锂离子电池(Thin-filmlithium-ionbatteries，TF-LIBs)可以作为小型化微型存储选择的解决方案，与传统锂离子电池不同的是，活性材料混合了各种添加剂，如聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂和炭黑导电剂。作为一种薄膜负极材料，氧化锌(ZnO)可以通过转化和合金化反应机制与Li+离子相互作用，由于其理论储锂容量高达978 mAh g-1，与其他金属氧化物(MOs)相比，无毒、经济、带隙适中、Li +离子扩散系数高，最近引起了人们的极大兴趣。
尽管如此，薄膜ZnO负极仍然存在一些问题，如长时间循环过程中的体积变化和低电子电导率，这些问题必须加以解决，以提高循环稳定性。在过去的几年中，人们一直致力于克服ZnO薄膜负极在锂离子电池中的局限性。与以前研究的不同，在这项研究中，作者提出了一种直接的策略来增强ZnO基薄膜电极的机械回弹性，该策略通过引入PTFE(聚四氟乙烯)粘结剂和制备适用于高性能TF-LIBs的ZnO/PTFE薄膜复合材料来实现。使用射频共溅射技术来制备聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂和氧化锌(ZnO)的薄膜复合材料，可以提高机械稳定性，并在循环过程中适应大量的体积变化。使用这些薄膜复合材料的TF-LIB电池的电化学测试显示，在0.5 C倍率下经过100次循环后具有1305 mAh g-1 (7116 mAh cm-3)的高比容量。值得注意的是，使用ZnO/PTFE复合薄膜可以缓解ZnO在循环过程中的体积膨胀。100次循环后ZnO和ZnO/PTFE ( PTFE含量为5、10、15 wt%)薄膜的非原位SEM表面分析证实了这一论断。
近日，韩国忠南国立大学材料科学与工程系Hyun-Suk Kim教授在Energy & Environmental Materials上发表了题“Confluence of ZnO and PTFE Binder for Enhancing Performance of Thin-Film Lithium-Ion Batteries”的研究论文。探究了通过结合氧化锌（ZnO）和聚四氟乙烯（PTFE）来显著提升TF-LiBs的性能。采用射频磁控共溅射法成功制备了ZnO / PTFE薄膜，与ZnO相比，容量保持率高达82 %。通过共溅射将PTFE掺入ZnO中被证明是提高循环稳定性的关键。与ZnO薄膜相比，它有效地缓解了在锂化和脱锂过程中发生的显著体积波动。虽然绝缘材料PTFE的加入导致ZnO/PTFE复合材料的放电容量降低，但其突出的循环性能仍然没有受到影响。作者研究的目的主要是进一步提高薄膜的容量。尽管如此，ZnO/PTFE复合薄膜在0.5 C电流倍率下实现了1305 mAh g-1 (7116 mAh cm-3)的放电容量，以及其增强的循环性能，使其成为各种应用的候选者，包括物联网、医疗保健设备和可穿戴设备。
作者采用同轴射频(RF)共溅射技术在室温条件下制备了ZnO/PTFE薄膜，ZnO和PTFE (聚四氟乙烯)靶材在不同功率水平(进一步的细节将在实验部分提供)下共溅射（图1a），通过扫描电子显微镜( SEM )对这些ZnO / PTFE薄膜的表面形貌进行了严格的检查（图1b），此外，所有ZnO / PTFE薄膜中碳(C)和氟(F)的EDS元素分布图证实了ZnO在PTFE基体中的均匀分布（图1c），这表明ZnO和PTFE组分在复合材料中很好地结合在一起。另外，作者也进一步利用X射线衍射(XRD)分析了ZnO / PTFE薄膜的物相和结晶性，利用X射线光电子能谱(XPS)进一步分析了薄膜表面的化学状态。如图2所示。
图 1. a)射频磁控共溅射系统示意图；b) ZnO和ZnO/PTFE薄膜的SEM表面和断面照片；c) ZnO/PTFE(5)薄膜的EDS分析。
图 2. a) ZnO和ZnO/PTFE(5)薄膜的XRD分析和化学表征。ZnO和ZnO/PTFE(5)的XPS图谱(b)Zn 2p，c) F1s，d，e) C 1s图谱，f)元素的原子百分比。
Subhashree Behera, Swathi Ippili, Venkatraju Jella, Na-Yeong Kim, Seong Cheol Jang , Ji-Won Jung*, Soon-Gil Yoon*, and Hyun-Suk Kim*, Confluence of ZnO and PTFE Binder for Enhancing Performance of Thin-Film Lithium-Ion Batteries. Energy Environ. Mater. 2024. DOI: 10.1002/eem2.12734
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12734
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