Более толстые, усиленные углеродным волокном электроды для аккумуляторов могут использоваться для аккумуляторов высокой плотности

В проекте, опубликованном в номере журнала Nano Letters Американского химического общества за июнь 2020 г. journal, исследователи из Центра композитных материалов (CCM) Университета Делавэра (Ньюарк, Делавэр, США) разработали сверхтолстый аккумуляторный электрод, армированный вертикально расположенными углеродными волокнами. Утверждается, что новая конструкция электродов, получившая название «толщиной с выравниванием волокон» или «FAT», демонстрирует улучшенные свойства и легко масштабируется для производства.

«В батарее электрод состоит из активного материала (материала электрода) и неактивных компонентов (например, металлических токосъемников, полимерных связующих и проводящей матрицы)», - объясняет доктор Кун Фу, доцент Университета Делавэра. и автор исследования. По его словам, чтобы повысить удельную емкость батареи, необходимо увеличить количество активного материала и уменьшить количество неактивных материалов.

Электрод FAT, разработанный Центром композитных материалов Университета Делавэра, включает однонаправленные (UD) короткие углеродные волокна, выровненные в направлении электрода, с активным электродным материалом (LiFePO ₄ или фосфат лития-железа), заключенный между волокнами. Поры между углеродными волокнами образуют каналы с низкой извилистостью через электрод, обеспечивая быстрый перенос ионов в жидком электролите. «В электроде FAT используются выровненные углеродные волокна для создания структуры электрода, выровненного по всей толщине, с характеристиками высокой нагрузки электродного материала, низкой извилистостью, высокой электрической и теплопроводностью и хорошими характеристиками сжатия», - говорит Фу.

«В этом случае более толстый электрод может значительно увеличить соотношение активный материал / неактивный материал для достижения более высокой удельной емкости», - добавляет он. Низкая извилистость FAT-электрода обеспечивает быструю инфузию электролита и быстрый перенос электронов / ионов, демонстрируя более высокое удержание емкости и более низкое сопротивление переносу заряда по сравнению с традиционной конструкцией толстых электродов, отлитых из суспензии.

Исследователи говорят, что в дополнение к улучшенным свойствам и большей емкости этот производственный метод легко масштабируется и производится с низкими затратами, включая водные электродные чернила и усиление мембраны из разрезанного и свернутого углеродным волокном. Для изготовления электрода мембрана из углеродного волокна, которая заранее загружена активным электродным материалом, скатывается в цилиндрическую форму и затем разрезается перпендикулярно осевому направлению волокон. Исследователи использовали этот метод для изготовления электрода диаметром 18 миллиметров и высотой 55 миллиметров для потенциального использования в цилиндрических аккумуляторных элементах 18650.

Затем исследователи планируют применить выровненный каркас из углеродного волокна для конструкции анода, твердотельных батарей, а также Li-S и Li-O ₂ аккумуляторы, говорит Фу, и потенциальное использование включает аккумуляторы для электромобилей, электроники или энергосистемы.

Чтобы получить доступ к исследованию, перейдите к нано-буквам цифровая публикация.