鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度和長循環壽命等優點，因而在便攜式電子設備例如筆記本電腦、手機、數碼相機等電子產品中得到廣泛應用。近年來，隨著新能源與清潔能源汽車的快速發展，對新型動力電池與儲能電池的性能及其安全性提出了更高的要求,而且對于電池可耐受各種極端工作條件下的需求也在日益增長。目前，為了提高鋰離子電池的性能，許多研究都集中在電極材料和電解質的開發和改進上，而對于電極和電池結構的設計方面研究較少，尤其是對電池關鍵材料在極端條件下耐受性的研究還鮮有報道。合理的電極結構設計對于整個電極內的離子和電子傳輸途徑非常重要，通過優化電極的結構，可以提高電極的導電性和其對電解液的浸潤等性能，提高電子和離子在整個電極內部的傳輸速率，進而提升電池的能量密度和倍率等性能。然而，想要獲得既具有良好的電子/離子傳輸特性、又具有活性物質高負載量的厚電極是一個很大的挑戰。此外，電極的結構設計對于提高電池的安全性也具有重要的作用。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所朱英杰研究員帶領的團隊與華中科技大學胡先羅教授帶領的團隊合作，在前期耐高溫、不燃羥基磷灰石超長納米線基鋰離子電池隔膜材料的研究工作基礎上(AdvancedMaterials,2017,29,1703548)，成功研制出一種既可以耐高溫、又具有活性物質高負載量的新型磷酸鐵鋰（UCFR-LFP）復合電極，用于具有高安全性的鋰離子電池正極。該UCFR-LFP復合電極是采用羥基磷灰石超長納米線、科琴黑納米顆粒，碳纖維和LiFePO4粉末作為原料，通過簡單的靜電輔助自組裝方法構筑而成。研究結果表明，在自組裝和抽濾過程中，LiFePO4納米顆粒比較均勻地嵌入高導電性且多孔的羥基磷灰石超長納米線/科琴黑納米顆粒/碳纖維基底中，從而形成自支撐的、具有獨特復合多孔結構的UCFR-LFP電極。這種獨特的復合多孔結構既可以保證活性物質和導電劑之間緊密的導電接觸，又能夠促進電解液在整個電極內部的擴散和傳輸，還可以優化電極的電子和離子傳輸通道。與傳統磷酸鐵鋰電極相比，UCFR-LFP復合電極在電化學性能、活性物質負載量、結構穩定性和電池安全性方面均表現出優異的性能。此外，UCFR-LFP復合電極還具有優異的熱穩定性和耐火性，即使在高達1000°C的高溫下也能保持其電化學活性和結構完整性。相關研究成果以“Ultrahigh-CapacityandFire-ResistantLiFePO4-BasedCompositeCathodesforAdvancedLithium-IonBatteries”為題發表在AdvancedEnergyMaterials（影響因子21.875）上。

圖1、UCFR-LFP復合電極的制備示意圖

圖2、UCFR-LFP復合電極的理化性質表征

（a，b）UCFR-LFP復合電極在不同放大倍率下的SEM圖像；

（c）UCFR-LFP復合電極中Fe、C、Ca和O的EDX元素分布圖像；

（d）UCFR-LFP復合電極和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的電導率；

（e）UCFR-LFP復合電極在不同彎曲條件下的數碼照片；

（f）UCFR-LFP復合電極在不同彎曲狀態下的導電性演示數碼照片；

（g）UCFR-LFP復合電極和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的孔隙率；

（h，i）UCFR-LFP復合電極（h）和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極（i）的電解液浸潤和擴散性能測試結果。

圖3、UCFR-LFP復合電極和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的電化學性能和動力學分析

（a）UCFR-LFP復合電極和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極在2C電流密度下的循環性能；

（b）UCFR-LFP復合電極和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的倍率性能；

（c）UCFR-LFP復合電極和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極在0.5C電流密度下的充放電曲線；

（d）UCFR-LFP復合電極和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的循環伏安曲線；

（e）UCFR-LFP復合電極和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的EIS譜圖；

（f，g）UCFR-LFP復合電極和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的GITT測試結果。

圖4、高活性物質負載量的UCFR-LFP復合電極的微觀結構和電化學性能

（a–c）高活性物質負載量（36、72和108mgcm–2）的UCFR-LFP復合電極的橫截面SEM圖像；

（d）在高倍下的SEM圖像；

（e）具有不同活性物質負載量的UCFR-LFP復合電極的循環性能；

（f）UCFR-LFP-108mgcm–2復合電極在0.9至9mAcm–2的各種電流密度下的充放電曲線；

（g）UCFR-LFP-36mgcm–2復合電極在3mAcm–2（0.5C）電流密度下的循環性能。

圖5、UCFR-LFP復合電極的熱穩定性和高溫工作特性

（a，b）UCFR-LFP復合電極采用的羥基磷灰石超長納米線（HAPNWs）和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極采用的鋁箔（Alfoil）和聚偏氟乙烯（PVDF）粘結劑的TG（a）和DSC（b）曲線；

（c）UCFR-LFP復合電極和傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極在不同熱處理溫度條件下的數碼照片；

（d）UCFR-LFP復合電極獨特的耐火特性，在酒精燈火焰加熱10分鐘后，UCFR-LFP復合電極仍能較好地保持其結構穩定性和導電性；

（e）傳統磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的熱穩定性測試，在置于酒精燈火焰上10秒后，傳統涂布電極很快被燒斷；

（f，g）UCFR-LFP復合電極的高溫工作特性。

小結

研究人員采用羥基磷灰石超長納米線，科琴黑納米顆粒，碳纖維和LiFePO4粉末作為起始材料，通過簡易的靜電輔助自組裝方法構筑了一種既可以耐高溫、又具有高活性物質負載量的新型磷酸鐵鋰（UCFR-LFP）復合電極，用于高安全性鋰離子電池正極。得益于各構筑基元之間的相互作用，所制得的復合電極可以實現較高的活性物質負載量（最高可達108mgcm–2）和面積比容量(最高可達16.4mAhcm–2)，大約是傳統涂布電極的5倍。除此之外，羥基磷灰石超長納米線獨特的熱穩定性還賦予該復合電極優異的耐高溫、耐火和寬工作溫度范圍等特性。預期該制備方法還可以拓展到其它電極材料，與工業上使用的造紙工藝類似，易于放大生產，顯示出良好的兼容性和實際應用潛力。該研究工作對提升鋰離子電池關鍵材料的熱耐受性與安全性以及發展可在極端條件下使用的高性能鋰離子電池具有重要的意義。