特拉华大学付堃Nano Letters: 超取向碳纤维框架助力高容量超厚电极

【引言】

为了满足对高能量密度、低成本的储能设备日益增长的需求，通过优化电极结构来提高电极的高面积容量和降低非活性材料成分比（如金属集流体、聚合物粘结剂和导电基体）是一种有前途的方法。该方法可以最大限度地利用高容量电极材料。在这种情况下，低曲折和高传导的厚电极结构因其简单和普适性的设计理念而受到越来越多的关注，并且正在迅速的应用到各种电池技术中。然而，通过增加涂层厚度来制作电极的传统的制造工艺往往差强人意，制备的厚电极存在Li⁺离子或电子传输性能迟缓和力学强度不高等问题。为了解决这些问题，最近，国内外科研工作者报道了一些新型制造方法设计的厚电极结构，这些电极结构显示出了低曲折度，高面积容量和良好的倍率性能。其中包括利用磁场和冷冻干燥方法创造的由低曲折度通道构成的厚电极结构，以及引入低曲折度的导电碳材料框架的方法（如碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯纳米片、碳化木、离子导电固体电解质等）创造的具有连续Li+离子或电子传输路径的电极结构。然而，这些方法不仅加工成本较高，而且使用的材料大多价格昂贵，不能适用于大规模的实际应用。此外，通过磁场和冷冻干燥法制造的电极结构的力学性能和根据导电框架体积和质量计算的电极比容量仍不清楚。因此，该团队试图开发一种成本低、可扩展制造的、与大多数电极材料和电池化学性能有良好的兼容性的制备方法，从而制造出具有高强度、低弯曲度、高导电性和高面积容量的超厚电极。

【成果简介】

近期，特拉华大学付堃教授团队报告了一种全新的超厚电极结构（Fiber-aligned thick (FAT) 电极结构）设计概念。该电极采用贯穿厚度方向竖直排列的IM7碳纤维为框架结构，具有电极材料负载高、曲折度低、电导率和导热率高、压缩性能好等特点。FAT电极的低弯曲度设计不仅能够使电解液快速渗透电极结构，而且为电极内部Li离子或电子提供了快速传输路径。

该工作以标题为 “Low Tortuous, Highly Conductive, and High-Areal-Capacity Battery Electrodes Enabled by Through-thickness Aligned Carbon Fiber Framework” 发表在国际知名期刊《Nano Letters》上，第一作者为史宝会（东华大学联合培养博士）和商元元（青岛科技大学联合培养博士），通讯作者为付堃教授。

【图文导读】

FAT电极制备过程是：将负载LiFePO₄（LFP）纳米颗粒的高度取向的碳纤维膜结构（厚度为100um）卷曲成圆筒状，并切割成厚度为1mm的电极结构。由于碳纤维在电极结构中竖直排列，因此，展现了高的抗压强度（2.8 MPa）和模量（36.8 MPa），分别比传统厚电极提高了3.6和4.6倍。

图1 FAT电极的设计和制备

设计的FAT厚电极结构的LFP压实密度为1.26g/cm³, 具有高的LFP负载并且电极结构紧密。FAT电极的通过厚度方向（0.35 ohm ^–1 cm ^–1，1.12±0.19 W/m·K）表现出比平面方向（0.005 ohm ^–1 cm ^–1，0.45±0.08 W/m·K） 高70倍的电导率和2.5倍的热导率，电极结构展现了突出的电学和热学各向异性。同时，竖直排列的碳纤维框架结构也促进了电解液的快速渗透。

图2 FAT电极结构微观形貌

3D重建X射线μ-CT图像和SEM图像展示了电极结构全貌。碳纤维竖直排列贯穿电极结构，LFP纳米颗粒均匀分布于电极内部。

图3 FAT电极的热性能测量

FAT电极在0.5、2和5 mA/cm2时分别提供了155、150和123 mAh/g的高比容量。相比之下，传统方法制备的厚电极在0.5、2和5 mA/cm2时具有较低的比容量分别为102、65和25 mAh/g。

图4 FAT电极的电化学性能

图5 FAT电极与其他报道的厚电极的比较

【小结】

综上所述，该团队开发了一种新的超厚FAT电极设计概念，，该方法基于水性LFP浆料和高度对齐的碳纤维膜，通过卷曲和切割来生产纤维框架的电极结构。该电极具有低弯曲度、高穿透厚度、高抗压强度等一系列独特特性。在该结构中碳纤维竖直排列贯穿整个电极，其中活性材料（如LFP纳米颗粒）嵌入在相邻的碳纤维之间，从而产生一个低曲折的孔隙结构。碳纤维之间的孔隙通过电极厚度形成通道，允许离子在浸渍液体电解质中快速传输。FAT电极具有0.35 ohm^-1 cm^-1的高通孔电导率，1.12±0.019 W/m·K的热导率和2.8 MPa的抗压强度。在这项工作中开发的FAT电极的厚度约为1 mm，有效负载为128 mg/cm²，在0.5 mA/cm²的电流密度下可提供155 mAh/g的高容量。与其他报道的厚电极相比，FAT电极还显示出良好的倍率性能。这种电极结构设计也可以兼容多种电池材料和化学物质（如Li-S、Li-air）。

文献链接：Low Tortuous, Highly Conductive, and High-Areal-Capacity Battery Electrodes Enabled by Through-thickness Aligned Carbon Fiber Framework（Nano Letters， 2020，DOI:10.1021/acs.nanolett.0c02053）

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