隨著現(xiàn)代電子電氣材料向小型化、集成化的快速發(fā)展，對于儲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)的付堃團隊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（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。
【FAT電極的制備過程】
如圖1所示，作者制備出的FAT電極具有高度取向結(jié)構(gòu)，能夠為電子和Li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度和壓縮模量。
【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。可以看出，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性的作用。
【FAT電極的導(dǎo)熱性能】
由于電池在充放電過程特別是高倍率循環(huán)中會產(chǎn)生熱量，如果不能及時的把熱量傳導(dǎo)出去，可能會引起電池的失控甚至爆炸。因此，作者對FAT電極的熱導(dǎo)率進行了表征，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)率的提升主要來自于高度取向的碳纖維提供了完善的導(dǎo)熱通道。
【FAT電極的電池性能】
隨后，作者將FAT電極組裝成了全電池，對其電化學(xué)性能進行了測試，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)伏安曲線中的峰強度更高，且寬度更窄，表明FAT的電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)更優(yōu)。
同時，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。舉例來說，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電極的過電勢也要低于傳統(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%）。
【FAT電極的電池性能對比】
為了進一步展示該工作的優(yōu)勢，作者也與之前文獻報道的結(jié)果進行了對比，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)于之前文獻報道的結(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%。
【總結(jié)】
作者巧妙的采用了工藝簡便、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。該電極同時兼具高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、機械性能優(yōu)異、高載量、高容量和倍率性能優(yōu)良的特點，為設(shè)計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
