特拉华大学付堃团队：垂直取向的碳纤维框架助力低曲折度、高导电性和高面积容量的电池正极

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随着现代电子电气材料向小型化、集成化的快速发展，对于储能材料提出了紧凑轻便的要求。具有高面积容量的厚电极材料，在提升电池能量密度方面，具有优异的前景。但是，厚电极材料的发展受电化学性能不佳、机械性能差以及制备工艺复杂等因素的限制。因此，低成本、工艺简便且能连续化生产的制备厚电极的方法亟待开发。近日，特拉华大学的付堃团队与合作者巧妙的开发了一种垂直取向的厚正极（FAT），该电极具有高载量、低曲折度、高电导率、高热导率以及优异的机械性能，为电子/离子的高速传输提供了有效的通道。组装成的电池体积能量密度和质量能量密度分别达到了431.2 Wh/L和164.8 Wh/kg，远优于传统涂覆方法制备的电池。该研究以题为“Low Tortuous, Highly Conductive, and High-Areal-Capacity Battery Electrodes Enabled by Through-thickness Aligned Carbon Fiber Framework”发表在《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。

【FAT电极的制备过程】

如图1所示，作者制备出的FAT电极具有高度取向结构，能够为电子和Li离子的传输提供有效的通道。他们的制备方法如下：将正极浆料涂覆在取向碳纤维膜上，然后将其卷曲成柱状，沿着垂直于长度方向裁剪，即可得到厚度约为1 mm的FAT电极。该方法工艺简单、成本较低且能适用于各类正极材料，且卷绕-切割的方法非常适用于大规模生产。与直接涂覆法制备的电极相比，FAT电极具有更好的压缩强度和压缩模量。

图 1 FAT电极制备的示意图以及机械性能

【FAT电极的微观结构】

随后，作者采用X射线三维成像以及扫描电镜分析了FAT电极的微观结构，如图2所示。可以看出，正极材料（磷酸铁锂，LFP）均匀分散在取向碳纤维的周围。与直接涂覆法制备的电极相比，FAT电极具有更高的垂直方向电导率和更好的电解液浸润性，这也表明FAT电极内部垂直取向的碳纤维起到了提升电导率和改善电解液浸润性的作用。

图2 FAT电极的微观形貌、电导率及电解液浸润性结果

【FAT电极的导热性能】

由于电池在充放电过程特别是高倍率循环中会产生热量，如果不能及时的把热量传导出去，可能会引起电池的失控甚至爆炸。因此，作者对FAT电极的热导率进行了表征，如图3所示。FAT电极的垂直方向热导率达到了1.12 W/m·K，是传统电极的4倍，而热导率的提升主要来自于高度取向的碳纤维提供了完善的导热通道。

图3 FAT电极的导热性能表征结果

【FAT电极的电池性能】

随后，作者将FAT电极组装成了全电池，对其电化学性能进行了测试，如图4所示。可以看出，与传统电极相比，FAT电极的循环伏安曲线中的峰强度更高，且宽度更窄，表明FAT的电化学反应动力学更优。同时，FAT的转移电阻也明显低于传统的电极。此外，在同样的电流密度下，FAT电极的容量也要明显高于传统电极。举例来说，在1 mA/cm2的电流密度下，FAT电极的容量为150 mAh/g，是传统电极的2.3倍（65 mAh/g）。另外，在同样的电流密度下，FAT电极的过电势也要低于传统电极。FAT电极组装的电池在循环150圈后，铜梁保持率为68%，明显优于传统电极组装的电池（45%）。

图4 FAT电极的电池性能表征结果

【FAT电极的电池性能对比】

为了进一步展示该工作的优势，作者也与之前文献报道的结果进行了对比，如图5所示。可以看出，FAT电极组装成的电池在面积容量、体积容量和比容量都要优于之前文献报道的结果。这主要是由于传统电池中的非活性物质（集流体和隔膜）占总电池的比重较高（质量和体积占比分别为21.2%和22.2%）。而FAT中非活性物质的质量和体积占比仅为3%和2.6%。因此，FAT电极组装的电池的体积能量密度和质量能量密度分别达到了431.2 Wh/L和164.8 Wh/kg，是传统电池的1376.%和135%。

图5 FAT基电池与传统电池的性能对比

【总结】

作者巧妙的采用了工艺简便、可大规模生产的卷绕-切割法制备了垂直方向高度取向的碳纤维框架电极。该电极同时兼具高电导率、高热导率、机械性能优异、高载量、高容量和倍率性能优良的特点，为设计和制备高能量密度电池提供了新的思路。

全文链接：

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

来源：高分子科学前沿

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