超厚碳纤维增强电池电极 有望大幅提升能量密度
发表于2020年6月美国化学会《Nano Letters》期刊的项目中，特拉华大学（美国特拉华州纽瓦克）复合材料中心（CCM）研究人员开发出一种以垂直对齐碳纤维增强的超厚电池电极。这种新电极设计被称为"纤维对齐厚电极"或"FAT"，据称性能增强且易于规模化制造。
"电池电极由活性材料（电极材料）和非活性组分（如金属集流体、聚合物粘结剂、导电基质）组成，"特拉华大学助理教授、该研究作者Dr. Kun Fu解释。为提高电池比容量，需增加活性材料量并减少非活性材料。
特拉华大学CCM设计的FAT电极将单向（UD）短碳纤维沿电极方向对齐排列，活性电极材料（LiFePO₄，磷酸铁锂）嵌入纤维间隙。碳纤维间的孔隙形成低曲折度通道，使液体电解质内离子快速传输。"FAT电极利用对齐碳纤维构建贯穿厚度的纤维对齐电极结构，具有高电极材料负载、低曲折度、高电/热导率和良好压缩性能，"Fu说。
"这种情况下，更厚电极可显著提高活性/非活性材料比，实现更高比容量，"他补充道。FAT电极的低曲折度实现快速电解质渗透和快速电子/离子传输，比常规浆料浇铸厚电极设计表现出更高容量保持率和更低电荷转移电阻。
除性能增强和容量提升外，研究人员称制造方法易于规模化且低成本，涉及水性电极墨水和切割卷绕碳纤维膜增强。制造时，预先负载活性电极材料的碳纤维膜卷成圆柱形，再垂直于纤维轴向切割。研究者用此法制造直径18毫米、高55毫米电极，可用于18650圆柱电池。
下一步，研究人员计划将对齐碳纤维框架应用于负极设计、固态电池、Li-S和Li-O₂电池，潜在用途包括电动汽车、电子设备或电网储能电池。
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