面積容量在電極評(píng)估中非常關(guān)鍵，想要提高鋰離子電池的儲(chǔ)能容量，則需要最大限度地提高其面積容量。然而，對(duì)同一種材料而言，在電極做厚的同時(shí)，還要讓它保持原有的高容量是非常困難的。而且，隨著電極厚度的增加，其力學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)減弱，并且導(dǎo)電性也會(huì)下降。

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在電池中，不管是正極還是負(fù)極，其面積容量C/A = C_SP×M/A。

其中為C_SP質(zhì)量比容量，單位為mAh g^?1；M/A為負(fù)載質(zhì)量，單位為gcm^?2。

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從上式中看，只有同時(shí)擴(kuò)大C_SP和M/A，才會(huì)實(shí)現(xiàn)高面積容量。這是很困難的，挑戰(zhàn)來自兩個(gè)方面：

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（1）常見高性能的電極材料都是基于顆粒狀的，當(dāng)電極厚度超過臨界厚度CCT時(shí)，這些顆粒便會(huì)遭到結(jié)構(gòu)破壞，即便加入粘結(jié)劑也沒多大作用。

（2）電極越厚，加入的導(dǎo)電劑就得更多，而炭黑（CB）等標(biāo)準(zhǔn)添加劑的產(chǎn)量低和電極導(dǎo)電性不均勻不穩(wěn)定等因素，嚴(yán)重限制了電化學(xué)性能，特別是對(duì)于較厚的電極來說。

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有鑒于此，愛爾蘭都柏林圣三一大學(xué)Valeria Nicolosi和Jonathan N. Coleman等人利用分離的碳納米管(CNTs)同時(shí)作為電極材料粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，無需添加任何額外的聚合物和CB，賦予NMC//Si電池超高的面積容量。

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電極厚度可達(dá)800μm，復(fù)合電極的導(dǎo)電性為1×10⁴Sm^?1；當(dāng)組裝出電池后，電池負(fù)極容量高達(dá)45 mAhcm^?2，正極容量高達(dá)30 mAhcm^?2，整體能量密度為480Whkg^?1和1,600WhL^?1。

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圖1. 多級(jí)復(fù)合電極材料的制備。A，將CNT分散水溶液與顆?；钚圆牧戏勰┗旌?，并將漿料涂覆在集流體上，以形成堅(jiān)固柔韌的電極。B，多級(jí)Si/CNT復(fù)合電極示意圖。C，μ-Si (5μm)/CNT負(fù)極的SEM截面圖，從圖c到e，CNT的含量變化為0.5 to 7.5wt%。g，h：μ-Si/7.5wt% CNT負(fù)極的高倍SEM截面圖。

圖2. 活性材料的優(yōu)化。a，Si和NMC在不同尺寸下的SEM圖；b，Si/CNT和NMC/CNT電極電導(dǎo)率隨含量的變化；c，電解質(zhì)電阻(R_electrolyte), 電極電阻(R_electrode)和電荷傳質(zhì)電阻(R_CT)的變化；d，電極電導(dǎo)率和面向電導(dǎo)率的對(duì)比；e，2μmSi/CNT復(fù)合電極首次充放電曲線隨含量的變化；f，Si/CNT電極和NMC 532、NMC 811電極比容量的變化；g，Si/CNT在不同含量CNT下與傳統(tǒng)制備方法的容量對(duì)比。

圖3. 力學(xué)性能隨厚度的變化。a，2μmSi/CNT電極的應(yīng)力應(yīng)變曲線；b，NMC811/CNT復(fù)合電極的應(yīng)力應(yīng)變曲線；c，拉伸韌性圖隨CNT含量的變化；d，面向電導(dǎo)率和電極粗糙度之間的關(guān)系；e，傳統(tǒng)電極和CNT復(fù)合電極的圖片對(duì)比；f，g：電極厚度隨質(zhì)量負(fù)載的變化；h，最厚電極的SEM截面圖。

圖4. 由2μm-Si/7.5wt%CNT復(fù)合負(fù)極與NMC811/0.5wt%CNT復(fù)合正極共同組裝出的全電池性能。a，電池第二圈的放電曲線；b，全電池在不同負(fù)載下的循環(huán)穩(wěn)定性；c，d：全電池的倍率性能；e，本文數(shù)據(jù)的Ragone對(duì)比圖；f，能量密度隨面積容量的變化。

該工作以“High areal capacity battery electrodes enabled by segregatednanotube networks” 為標(biāo)題于2019年6月17日發(fā)表在國際頂刊NatureEnergy上。

High areal capacity battery electrodesenabled by segregated nanotube networks. (Nature Energy, 2019，DOI: 10.1038/s41560-019-0398-y)

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0398-y