特拉華大學付堃Nano Letters: 超取向碳纖維框架助力高容量超厚電極

【引言】

為了滿足對高能量密度、低成本的儲能設備日益增長的需求，通過優化電極結構來提高電極的高面積容量和降低非活性材料成分比（如金屬集流體、聚合物粘結劑和導電基體）是一種有前途的方法。該方法可以最大限度地利用高容量電極材料。在這種情況下，低曲折和高傳導的厚電極結構因其簡單和普適性的設計理念而受到越來越多的關注，并且正在迅速的應用到各種電池技術中。然而，通過增加涂層厚度來制作電極的傳統的制造工藝往往差強人意，制備的厚電極存在Li⁺離子或電子傳輸性能遲緩和力學強度不高等問題。為了解決這些問題，最近，國內外科研工作者報道了一些新型制造方法設計的厚電極結構，這些電極結構顯示出了低曲折度，高面積容量和良好的倍率性能。其中包括利用磁場和冷凍干燥方法創造的由低曲折度通道構成的厚電極結構，以及引入低曲折度的導電碳材料框架的方法（如碳納米管、碳納米纖維、石墨烯納米片、碳化木、離子導電固體電解質等）創造的具有連續Li+離子或電子傳輸路徑的電極結構。然而，這些方法不僅加工成本較高，而且使用的材料大多價格昂貴，不能適用于大規模的實際應用。此外，通過磁場和冷凍干燥法制造的電極結構的力學性能和根據導電框架體積和質量計算的電極比容量仍不清楚。因此，該團隊試圖開發一種成本低、可擴展制造的、與大多數電極材料和電池化學性能有良好的兼容性的制備方法，從而制造出具有高強度、低彎曲度、高導電性和高面積容量的超厚電極。

【成果簡介】

近期，特拉華大學付堃教授團隊報告了一種全新的超厚電極結構（Fiber-aligned thick?(FAT)?電極結構）設計概念。該電極采用貫穿厚度方向豎直排列的IM7碳纖維為框架結構，具有電極材料負載高、曲折度低、電導率和導熱率高、壓縮性能好等特點。FAT電極的低彎曲度設計不僅能夠使電解液快速滲透電極結構，而且為電極內部Li離子或電子提供了快速傳輸路徑。

該工作以標題為?“Low Tortuous, Highly Conductive, and High-Areal-Capacity Battery Electrodes Enabled by Through-thickness Aligned Carbon Fiber Framework” 發表在國際知名期刊《Nano Letters》上，第一作者為史寶會（東華大學聯合培養博士）和商元元（青島科技大學聯合培養博士），通訊作者為付堃教授。

【圖文導讀】

FAT電極制備過程是：將負載LiFePO₄（LFP）納米顆粒的高度取向的碳纖維膜結構（厚度為100um）卷曲成圓筒狀，并切割成厚度為1mm的電極結構。由于碳纖維在電極結構中豎直排列，因此，展現了高的抗壓強度（2.8 MPa）和模量（36.8 MPa），分別比傳統厚電極提高了3.6和4.6倍。

圖1 FAT電極的設計和制備

設計的FAT厚電極結構的LFP壓實密度為1.26g/cm³, 具有高的LFP負載并且電極結構緊密。FAT電極的通過厚度方向（0.35 ohm^?–1?cm^?–1，1.12±0.19 W/m·K）表現出比平面方向（0.005?ohm^?–1?cm?^–1，0.45±0.08 W/m·K）?高70倍的電導率和2.5倍的熱導率，電極結構展現了突出的電學和熱學各向異性。同時，豎直排列的碳纖維框架結構也促進了電解液的快速滲透。

圖2 FAT電極結構微觀形貌

3D重建X射線μ-CT圖像和SEM圖像展示了電極結構全貌。碳纖維豎直排列貫穿電極結構，LFP納米顆粒均勻分布于電極內部。

圖3 FAT電極的熱性能測量

FAT電極在0.5、2和5 mA/cm2時分別提供了155、150和123 mAh/g的高比容量。相比之下，傳統方法制備的厚電極在0.5、2和5 mA/cm2時具有較低的比容量分別為102、65和25 mAh/g。

圖4 FAT電極的電化學性能

圖5 FAT電極與其他報道的厚電極的比較

【小結】

綜上所述，該團隊開發了一種新的超厚FAT電極設計概念，，該方法基于水性LFP漿料和高度對齊的碳纖維膜，通過卷曲和切割來生產纖維框架的電極結構。該電極具有低彎曲度、高穿透厚度、高抗壓強度等一系列獨特特性。在該結構中碳纖維豎直排列貫穿整個電極，其中活性材料（如LFP納米顆粒）嵌入在相鄰的碳纖維之間，從而產生一個低曲折的孔隙結構。碳纖維之間的孔隙通過電極厚度形成通道，允許離子在浸漬液體電解質中快速傳輸。FAT電極具有0.35 ohm^-1?cm^-1的高通孔電導率，1.12±0.019 W/m·K的熱導率和2.8 MPa的抗壓強度。在這項工作中開發的FAT電極的厚度約為1 mm，有效負載為128 mg/cm²，在0.5 mA/cm²的電流密度下可提供155 mAh/g的高容量。與其他報道的厚電極相比，FAT電極還顯示出良好的倍率性能。這種電極結構設計也可以兼容多種電池材料和化學物質（如Li-S、Li-air）。

文獻鏈接：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）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。
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