鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，因而在便攜式電子設(shè)備例如筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著新能源與清潔能源汽車的快速發(fā)展，對(duì)新型動(dòng)力電池與儲(chǔ)能電池的性能及其安全性提出了更高的要求, 而且對(duì)于電池可耐受各種極端工作條件下的需求也在日益增長(zhǎng)。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(zhì)的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)上，而對(duì)于電極和電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面研究較少，尤其是對(duì)電池關(guān)鍵材料在極端條件下耐受性的研究還鮮有報(bào)道。合理的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)電極內(nèi)的離子和電子傳輸途徑非常重要，通過(guò)優(yōu)化電極的結(jié)構(gòu)，可以提高電極的導(dǎo)電性和其對(duì)電解液的浸潤(rùn)等性能，提高電子和離子在整個(gè)電極內(nèi)部的傳輸速率，進(jìn)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(zhì)高負(fù)載量的厚電極是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。此外，電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于提高電池的安全性也具有重要的作用。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所朱英杰研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)胡先羅教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)合作，在前期耐高溫、不燃羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線基鋰離子電池隔膜材料的研究工作基礎(chǔ)上(Advanced Materials, 2017, 29, 1703548)，成功研制出一種既可以耐高溫、又具有活性物質(zhì)高負(fù)載量的新型磷酸鐵鋰（UCFR-LFP）復(fù)合電極，用于具有高安全性的鋰離子電池正極。該UCFR-LFP復(fù)合電極是采用羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線、科琴黑納米顆粒，碳纖維和LiFePO4粉末作為原料，通過(guò)簡(jiǎn)單的靜電輔助自組裝方法構(gòu)筑而成。研究結(jié)果表明，在自組裝和抽濾過(guò)程中，LiFePO4納米顆粒比較均勻地嵌入高導(dǎo)電性且多孔的羥基磷灰石超長(zhǎng)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(dú)特復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)的UCFR-LFP電極。這種獨(dú)特的復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)既可以保證活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑之間緊密的導(dǎo)電接觸，又能夠促進(jìn)電解液在整個(gè)電極內(nèi)部的擴(kuò)散和傳輸，還可以優(yōu)化電極的電子和離子傳輸通道。與傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電極相比，UCFR-LFP復(fù)合電極在電化學(xué)性能、活性物質(zhì)負(fù)載量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電池安全性方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，UCFR-LFP復(fù)合電極還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐火性，即使在高達(dá)1000°C的高溫下也能保持其電化學(xué)活性和結(jié)構(gòu)完整性。相關(guān)研究成果以“Ultrahigh-Capacity and Fire-Resistant LiFePO4-Based Composite Cathodes for Advanced Lithium-Ion Batteries”為題發(fā)表在Advanced Energy Materials（影響因子21.875）上。

圖1、 UCFR-LFP復(fù)合電極的制備示意圖

圖2、 UCFR-LFP復(fù)合電極的理化性質(zhì)表征

（a，b）UCFR-LFP復(fù)合電極在不同放大倍率下的SEM圖像；

（c）UCFR-LFP復(fù)合電極中Fe、C、Ca和O的 EDX元素分布圖像；

（d）UCFR-LFP復(fù)合電極和傳統(tǒng)磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的電導(dǎo)率；

（e）UCFR-LFP復(fù)合電極在不同彎曲條件下的數(shù)碼照片；

（f）UCFR-LFP復(fù)合電極在不同彎曲狀態(tài)下的導(dǎo)電性演示數(shù)碼照片；

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

（h，i）UCFR-LFP復(fù)合電極（h）和傳統(tǒng)磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極（i）的電解液浸潤(rùn)和擴(kuò)散性能測(cè)試結(jié)果。

圖3、UCFR-LFP復(fù)合電極和傳統(tǒng)磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的電化學(xué)性能和動(dòng)力學(xué)分析

（a）UCFR-LFP復(fù)合電極和傳統(tǒng)磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極在2C電流密度下的循環(huán)性能；

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

（c）UCFR-LFP復(fù)合電極和傳統(tǒng)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(fù)合電極和傳統(tǒng)磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的循環(huán)伏安曲線；

（e）UCFR-LFP復(fù)合電極和傳統(tǒng)磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的EIS譜圖；

（f，g）UCFR-LFP復(fù)合電極和傳統(tǒng)磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極的GITT測(cè)試結(jié)果。

圖4、高活性物質(zhì)負(fù)載量的UCFR-LFP復(fù)合電極的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能

（a–c）高活性物質(zhì)負(fù)載量（36、72和108mg cm–2）的UCFR-LFP復(fù)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(zhì)負(fù)載量的UCFR-LFP復(fù)合電極的循環(huán)性能；

（f）UCFR-LFP-108mg cm–2復(fù)合電極在0.9至9 mA cm–2的各種電流密度下的充放電曲線；

（g）UCFR-LFP-36mg cm–2復(fù)合電極在3 mA cm–2（0.5C）電流密度下的循環(huán)性能。

圖5、 UCFR-LFP復(fù)合電極的熱穩(wěn)定性和高溫工作特性

（a，b）UCFR-LFP復(fù)合電極采用的羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線（HAP NWs）和傳統(tǒng)磷酸鐵鋰（Con-LFP）電極采用的鋁箔（Al foil）和聚偏氟乙烯（PVDF）粘結(jié)劑的TG（a）和DSC （b）曲線；

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

（d） UCFR-LFP復(fù)合電極獨(dú)特的耐火特性，在酒精燈火焰加熱10分鐘后，UCFR-LFP復(fù)合電極仍能較好地保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性；

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

（f，g）UCFR-LFP復(fù)合電極的高溫工作特性。

小結(jié)

研究人員采用羥基磷灰石超長(zhǎng)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(guò)簡(jiǎn)易的靜電輔助自組裝方法構(gòu)筑了一種既可以耐高溫、又具有高活性物質(zhì)負(fù)載量的新型磷酸鐵鋰（UCFR-LFP）復(fù)合電極，用于高安全性鋰離子電池正極。得益于各構(gòu)筑基元之間的相互作用，所制得的復(fù)合電極可以實(shí)現(xiàn)較高的活性物質(zhì)負(fù)載量（最高可達(dá)108 mg cm–2）和面積比容量(最高可達(dá)16.4 mA h cm–2)，大約是傳統(tǒng)涂布電極的5倍。除此之外，羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線獨(dú)特的熱穩(wěn)定性還賦予該復(fù)合電極優(yōu)異的耐高溫、耐火和寬工作溫度范圍等特性。預(yù)期該制備方法還可以拓展到其它電極材料，與工業(yè)上使用的造紙工藝類似，易于放大生產(chǎn)，顯示出良好的兼容性和實(shí)際應(yīng)用潛力。該研究工作對(duì)提升鋰離子電池關(guān)鍵材料的熱耐受性與安全性以及發(fā)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。

原標(biāo)題:上海硅酸鹽研究所&華中科技大學(xué)Advanced Energy Materials: 耐高溫與高載量LiFePO4鋰離子電池厚電極