高载量快充舍我其谁，连续碳纤维纵贯首尾

【基本信息】

1.    作者信息：美国特拉华大学（University of Delaware）付堃教授（通讯）等.

2.    研究主题：电化学储能-电池-锂离子电池-电极

3.    发表时间：2020年6月18日上线

【解决了什么问题？】

高面积电容量和体积电容量是可充电电池（如锂离子电池）研发领域长久追求的目标。达到该目标的前提之一是制备含大量活性物质的电极，即高载量电极。然而，高载量电极往往较厚，对于传统浆料涂布电极制备法挑战巨大。主要原因包括：

1. 涂布法制成的厚电极在干燥后易开裂（图1），影响实际使用；

2. 涂布法制成的厚电极孔道迂曲度高，离子、电子于电极内部传输缓慢。工作时，特别是在快充条件下，电极或电池电容量损耗明显。

图1. 传统浆料涂布法制备的厚电极干燥后易开裂，难利用。

【工作要点】

针对上述有关高载量电极的挑战，美国特拉华大学付堃教授课题组在Nano Letters期刊上展示了他们的应对策略。他们通过构筑碳纤维纵贯厚（FAT）电极，实现了活性物质载量高、离子扩散容易、电子传输速度快三个电极材料优点（图2），取得了高面积电容量和体积电容量的双重目标。

图2. 含碳纤维纵贯厚（FAT）电极的锂离子电池结构示意图。

【图文简析】

FAT电极的核心是碳纤维膜，由特拉华大学复合材料中心独立研发。该膜由并行排列的非连续商用IM7短碳纤维组成。膜中碳纤维的取向不受纤维长度影响，纤维取向过程中不发生断裂损伤。所制备的复合材料部件力学性能强，其拉伸强度接近于连续纤维复合材料部件。

制备电极时，先将含活性材料LiFePO₄颗粒的浆料涂布于碳纤维膜中，然后卷曲、切割制成FAT电极（图3a）。FAT电极的厚度可在切割时便捷调控。扫描电镜图像显示碳纤维膜由碳纤维近平行排列而成（图3b），并穿插在涂布的LiFePO₄颗粒中（图3c）。这些纵贯电极首尾的碳纤维不仅为厚电极提供力学支撑，保持电极结构完整，并且降低电极整体电阻，确保电子在电极内部高速传导。

图3. FAT电极制备流程示意图及形貌。

除电子传导外，纵贯其中的碳纤维还有利于电解液浸润和电池导热。50 µL电解液可在3秒之内完全浸润FAT电极，但在浆料涂布法制备的厚电极中一分钟后都未浸润完全（图4a）。浸润速率的差异可归因于电极的微观结构（图4b）：FAT电极纤维-纤维间孔隙连通整个电极，便于电解液通过。而涂布法电极孔隙曲折，且孔径较小，阻碍电解液在电极内部快速扩散。此外，FAT电极中的碳纤维还能快速导热，便于电池在快充条件下散温，提高使用安全性（图4c-e）。

图4. FAT电极中纵贯碳纤维有利于电解液浸润和电池导热。

FAT-LiFePO₄电极的电化学性能不负众望。其活性物质载量达128 mg/cm²，高出目前文献报道的绝大部分厚电极活性物质载量近5倍。在如此高载量的条件下，电极的面积电容量（图5a）和体积电容量（图5b）均处于前沿位置，凸显出FAT的巨大优势和潜力。

图5. FAT-LiFePO₄电极（红星线）及其它高载量电极的倍率性能。

【总结】

本工作报道的FAT电极相比传统浆料涂布法制备的厚电极具有迂曲度低、电/离子传输快、热耗散容易、活性物质载量高等优势。此外，FAT的结构还有利于减少电池中无活性成分（如隔膜）的体积和重量（图6），从而提高电池整体的能量密度。

图6. FAT结构对于高载量电池的电化学性能优势。

【原文链接】

更多细节（如循环伏安、恒电流充放电等电化学表征结果）请见原文：

Baohui Shi & Yuanyuan Shang et al. Low Tortuous, Highly Conductive, and High-Areal-Capacity Battery Electrodes Enabled by Through-Thickness Aligned Carbon Fiber Framework, Nano Lett., 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02053

感谢文章第一作者对本报道的悉心审阅。