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)展受電化學性能不佳、機械性能差以及制備工藝復雜等因素的限制。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、高電導率、高熱導率以及優(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)量能量密度分別達到了431.2 Wh/L和164.8 Wh/kg，遠優(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（東華大學聯(lián)合培養(yǎng)博士）和商元元（青島科技大學聯(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構，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電極的微觀結構】
隨后，作者采用X射線三維成像以及掃描電鏡分析了FAT電極的微觀結構，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率和改善電解液浸潤性的作用。
【FAT電極的導熱性能】
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電極的熱導率進行了表征，如圖3所示。FAT電極的垂直方向熱導率達到了1.12 W/m·K，是傳統(tǒng)電極的4倍，而熱導率的提升主要來自于高度取向的碳纖維提供了完善的導熱通道。
【FAT電極的電池性能】
隨后，作者將FAT電極組裝成了全電池，對其電化學性能進行了測試，如圖4所示?？梢钥闯觯c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的電化學反應動力學更優(yōu)。
同時，F(xiàn)AT的轉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)量能量密度分別達到了431.2 Wh/L和164.8 Wh/kg，是傳統(tǒng)電池的1376.%和135%。
【總結】
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率、高熱導率、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
