Ультратолстые баттерные электроды с углеродным волокном обещают более высокую энергоплотность

В проекте, опубликованном в июньском 2020 выпуске журнала American Chemical Society Nano Letters, исследователи из Центра композитных материалов (CCM) Делавэрского университета (Ньюарк, Делавэр, США) разработали ультратолстый баттерный электрод, усиленный вертикально выровненными углеродными волокнами. Названный «волоконно-выровненный толстый» или «FAT», новый дизайн электрода, как заявляется, демонстрирует улучшенные свойства и легко масштабируется для производства.

Доктор Кунь Фу, ассистент профессора Делавэрского университета и автор исследования: «В батарее электрод состоит из активного материала (материала электрода) и неактивных компонентов (например, металлических токосъемников, полимерных связующих и проводящей матрицы). Чтобы улучшить удельную емкость батареи, нужно увеличить количество активного материала и уменьшить неактивные материалы».

Конструкция FAT электрода

FAT электрод, спроектированный Центром композитных материалов Делавэрского университета, включает унидирекциональные (UD) короткие углеродные волокна, выровненные в направлении электрода, с активным электродным материалом (LiFePO₄, или литий-железо-фосфат), встроенным между волокнами. Поры между углеродными волокнами образуют каналы с низкой извилистостью через электрод, позволяя быстрый ионный транспорт в жидком электролите. «FAT электрод использует выровненные углеродные волокна для построения сквозной волоконно-выровненной структуры электрода с признаками высокой загрузки электродным материалом, низкой извилистостью, высокой электрической и тепловой проводимостью и хорошими свойствами сжатия», — говорит Фу.

Доктор Кунь Фу: «В этом случае более толстый электрод может значительно увеличить соотношение активного материала/неактивного материала для достижения более высокой удельной емкости. Низкая извилистость FAT электрода обеспечивает быструю инфузию электролита и быстрый электронный/ионный транспорт, демонстрируя более высокую удержание емкости и более низкое сопротивление зарядопередаче, чем обычный толстый электрод, литой из суспензии».

Масштабируемое производство

Помимо улучшенных свойств и более высокой емкости, исследователи заявляют, что производственный метод легко масштабируется и производится при низкой стоимости, задействуя водную электродную чернила и разрезанную и намотанную мембрану усиления из углеродного волокна. Для изготовления электрода мембрана из углеродного волокна, заранее загруженная активным электродным материалом, наматывается в цилиндрическую форму, а затем резается перпендикулярно осевому направлению волокон. Исследователи использовали этот метод для изготовления электрода диаметром 18 мм и высотой 55 мм для потенциального использования в цилиндрических баттерных элементах 18650.

Далее исследователи планируют применить выровненную углеродноволокнистую структуру к дизайну анодов, твердотельных батарей и Li-S и Li-O₂ батарей, говорит Фу, а потенциальные применения включают батареи для электромобилей, электроники или сетевого энергохранения.

Для доступа к исследованию перейдите к цифровой публикации Nano Letters.