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高载量快充舍我其谁,连续碳纤维纵贯首尾

高载量快充舍我其谁,连续碳纤维纵贯首尾

【基本信息】

高载量快充舍我其谁,连续碳纤维纵贯首尾

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。

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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。

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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。

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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)。

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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。

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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。

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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。

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