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高导电、轻质、低曲率的3D集流体碳骨架

高导电、轻质、低曲率的3D集流体碳骨架

先进储能技术和设备需求的日益增长,推动了能源存储市场往着更高性能,更长循环寿命和更高安全性的方向发展。许多研究主要集中在开发新的合成电极材料,却很少关注在不改变电极成分的情况下如何通过改善电极和装置的设计来提高电池性能。由此可见,电极结构对于开发新型储能装置而言也是至关重要的。


高导电、轻质、低曲率的3D集流体碳骨架

图1. 结构稳定。 a)通过刮刀涂布制备的铝箔上湿浆料的示意图。 b)铝箔上的干浆料的图示说明在干燥过程中产生许多裂纹。 c)具有许多裂缝干浆(常规厚度的LFP电极)的图像。 d,e)在一定压力下不会发生断裂的碳骨架和在相同压力下显示低变形能力的LFP碳骨架的示意图。 f,g)分别在机械压缩试验后破碎的CF和刚性LFP-CF 3D电极的图像。 h)LFP-CF 3D电极的照片图像。 i)CF和LFP-CF 3D电极的机械压缩应力。


鉴于此,受到天然木材材料独特的各向异性多通道结构的启发,华中科技大学的谢佳教授和马里兰大学胡良兵教授课题组将多通道的天然木材碳化,得到了具有高导电性,轻质且低曲率的多通道3D碳骨架(CF)。以此碳骨架为基础,通过简单的方法将电极活性材料渗透到CF 3D集流体的孔道中,便可以获得具有超高质量负载,低曲率和形变能力的超薄3D电极


高导电、轻质、低曲率的3D集流体碳骨架

图2. 电化学性能。 a ,b)超薄LFP-CF电极和常规厚度的LFP电极的充放电过程。c)超薄LFP-CF电极和常规厚度的LFP电极面积容量 – 电流密度图。d)超薄LFP-CF电极和常规厚度LFP电极的过电位-电流密度图。 e)超薄LFP-CF电极和常规厚LFP电极在2mA/cm^2时的循环性能。(e)中的插图说明了常规厚度LFP电极容易变形和3D超薄LFP-CF电极不易变形。


电化学测试表明,使用此方法获得的800μm的磷酸铁锂碳骨架(LFP-CF),具有60mg/cm^2的活性物质负载量,输出的面积和体积容量可分别达7.6mAh/cm^2和95Ah/L。在2mA/cm^2下循环140次后,传统LFP电极容量衰减到初始容量的15%,而LFP-CF的容量依然能够维持在76%,并且库伦效率高达99.6%。由此可见,由此方法的到的复合电极表现出极其优异的电化学性能。

透过现象看本质,作者给出了这种复合材料性能优异的原因:

  • CF具有高达81%的孔隙率,这是活性物质高负载率的基础,以此提高了能量密度;

  • CF的高导电性和多孔且连续的通道,是快速电子传输的基础,以此提高了倍率性能;

  • CF材料的高负载率大幅降低了极片的厚度,有效缩短了离子扩散和电子传输的距离,由此具有更快的动力学;

  • CF直径方向具有的细小间隙,可以填充电解液以此改善离子传输,由此改善电化学性能。

  • CF基复合电极材料能够有效改善充放电过程中由材料收缩导致的结构坍塌现象,由此提高电极材料的循环寿命,并且具有增强的机械性能,由此具有更好的安全性。


Chaoji Chen, Ying Zhang, Yiju Li, Yudi Kuang, Jianwei Song, Wei Luo, Yanbin Wang, Yonggang Yao, Glenn Pastel, Jia Xie, and Liangbing Hu, Highly Conductive, Lightweight, Low-Tortuosity Carbon Frameworks as Ultrathick 3D Current Collectors, Adv. Energy Mater. 2017, 1700595. 



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