隨著現(xiàn)代電子電氣材料向小型化、集成化的快速發(fā)展,對(duì)于儲(chǔ)能材料提出了緊湊輕便的要求。具有高面積容量的厚電極材料,在提升電池能量密度方面,具有優(yōu)異的前景。但是,厚電極材料的發(fā)展受電化學(xué)性能不佳、機(jī)械性能差以及制備工藝復(fù)雜等因素的限制。因此,低成本、工藝簡(jiǎn)便且能連續(xù)化生產(chǎn)的制備厚電極的方法亟待開發(fā)。近日,特拉華大學(xué)的付堃團(tuán)隊(duì)與合作者巧妙的開發(fā)了一種垂直取向的厚正極(FAT),該電極具有高載量、低曲折度、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率以及優(yōu)異的機(jī)械性能,為電子/離子的高速傳輸提供了有效的通道。組裝成的電池體積能量密度和質(zhì)量能量密度分別達(dá)到了431.2 Wh/L和164.8 Wh/kg,遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)涂覆方法制備的電池。該研究以題為“Low Tortuous, Highly Conductive, and High-Areal-Capacity Battery Electrodes Enabled by Through-thickness Aligned Carbon Fiber Framework”發(fā)表在《Nano letters》上,第一作者為史寶會(huì)(東華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士)和商元元(青島科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士),通訊作者為付堃教授。

?特拉華大學(xué)付堃團(tuán)隊(duì):垂直取向的碳纖維框架助力低曲折度、高導(dǎo)電性和高面積容量的電池正極

【FAT電極的制備過(guò)程】

如圖1所示,作者制備出的FAT電極具有高度取向結(jié)構(gòu),能夠?yàn)殡娮雍蚅i離子的傳輸提供有效的通道。他們的制備方法如下:將正極漿料涂覆在取向碳纖維膜上,然后將其卷曲成柱狀,沿著垂直于長(zhǎng)度方向裁剪,即可得到厚度約為1 mm的FAT電極。該方法工藝簡(jiǎn)單、成本較低且能適用于各類正極材料,且卷繞-切割的方法非常適用于大規(guī)模生產(chǎn)。與直接涂覆法制備的電極相比,F(xiàn)AT電極具有更好的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量。

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圖?1 FAT電極制備的示意圖以及機(jī)械性能

 

【FAT電極的微觀結(jié)構(gòu)】

隨后,作者采用X射線三維成像以及掃描電鏡分析了FAT電極的微觀結(jié)構(gòu),如圖2所示??梢钥闯?,正極材料(磷酸鐵鋰,LFP)均勻分散在取向碳纖維的周圍。與直接涂覆法制備的電極相比,F(xiàn)AT電極具有更高的垂直方向電導(dǎo)率和更好的電解液浸潤(rùn)性,這也表明FAT電極內(nèi)部垂直取向的碳纖維起到了提升電導(dǎo)率和改善電解液浸潤(rùn)性的作用。

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圖2?FAT電極的微觀形貌、電導(dǎo)率及電解液浸潤(rùn)性結(jié)果

 

【FAT電極的導(dǎo)熱性能】

由于電池在充放電過(guò)程特別是高倍率循環(huán)中會(huì)產(chǎn)生熱量,如果不能及時(shí)的把熱量傳導(dǎo)出去,可能會(huì)引起電池的失控甚至爆炸。因此,作者對(duì)FAT電極的熱導(dǎo)率進(jìn)行了表征,如圖3所示。FAT電極的垂直方向熱導(dǎo)率達(dá)到了1.12 W/m·K,是傳統(tǒng)電極的4倍,而熱導(dǎo)率的提升主要來(lái)自于高度取向的碳纖維提供了完善的導(dǎo)熱通道。

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圖3 FAT電極的導(dǎo)熱性能表征結(jié)果

 

【FAT電極的電池性能】

隨后,作者將FAT電極組裝成了全電池,對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試,如圖4所示。可以看出,與傳統(tǒng)電極相比,F(xiàn)AT電極的循環(huán)伏安曲線中的峰強(qiáng)度更高,且寬度更窄,表明FAT的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)更優(yōu)。

同時(shí),F(xiàn)AT的轉(zhuǎn)移電阻也明顯低于傳統(tǒng)的電極。此外,在同樣的電流密度下,F(xiàn)AT電極的容量也要明顯高于傳統(tǒng)電極。舉例來(lái)說(shuō),在1 mA/cm2的電流密度下,F(xiàn)AT電極的容量為150 mAh/g,是傳統(tǒng)電極的2.3倍(65 mAh/g)。

另外,在同樣的電流密度下,F(xiàn)AT電極的過(guò)電勢(shì)也要低于傳統(tǒng)電極。FAT電極組裝的電池在循環(huán)150圈后,銅梁保持率為68%,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電極組裝的電池(45%)。

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圖4?FAT電極的電池性能表征結(jié)果

【FAT電極的電池性能對(duì)比】

為了進(jìn)一步展示該工作的優(yōu)勢(shì),作者也與之前文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖5所示。

可以看出,F(xiàn)AT電極組裝成的電池在面積容量、體積容量和比容量都要優(yōu)于之前文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果。這主要是由于傳統(tǒng)電池中的非活性物質(zhì)(集流體和隔膜)占總電池的比重較高(質(zhì)量和體積占比分別為21.2%和22.2%)。

而FAT中非活性物質(zhì)的質(zhì)量和體積占比僅為3%和2.6%。因此,F(xiàn)AT電極組裝的電池的體積能量密度和質(zhì)量能量密度分別達(dá)到了431.2 Wh/L和164.8 Wh/kg,是傳統(tǒng)電池的1376.%和135%。

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圖5 FAT基電池與傳統(tǒng)電池的性能對(duì)比

 

【總結(jié)】

作者巧妙的采用了工藝簡(jiǎn)便、可大規(guī)模生產(chǎn)的卷繞-切割法制備了垂直方向高度取向的碳纖維框架電極。該電極同時(shí)兼具高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、機(jī)械性能優(yōu)異、高載量、高容量和倍率性能優(yōu)良的特點(diǎn),為設(shè)計(jì)和制備高能量密度電池提供了新的思路。

 

全文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02053

 

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