1成果简介
目前，结构性锂离子电池（LIB）通常使用碳纤维（CF）作为多功能负极材料，以提供锂存储和高机械强度。然而，由于碳纤维在锂化过程中会产生明显的体积膨胀，纤维结构在循环过程中会迅速退化。本文，华中科技大学 魏璐 副教授、郭新 教授、西北工业大学 付前刚 教授等在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Highly Conductive Carbon/Carbon Composites as Advanced Multifunctional Anode Materials for Structural Lithium-Ion Batteries”的论文，研究首次提出将 CFs 增强碳基（C/C）复合材料作为结构性锂离子电池的多功能阳极。C/C 复合材料呈现出独特的芯/壳结构，其中 CF 作为芯提供了快速、连续的电子传导途径，并具有优异的机械强度，而层状热解碳壳则可容纳 CF 的体积变化，并提供额外的离子存储。
我们探讨了 C/C 微结构对离子/电子传输的影响以及这种独特混合结构背后的锂存储机制。由于 C/C 复合材料的结构优势，LiFePO++4||C/C 全电池在高电极质量负载下表现出惊人的电化学性能，远远优于现有结构的 LIB，甚至超过了相同质量负载下的商用 LIB。此外，这种袋状电池还具有出色的机械强度和机械-电化学耦合特性。这项工作证明了 C/C 复合材料作为高性能结构电池的新型多功能阳极的巨大潜力。
2图文导读
图1、a） 采用ICVI技术合成C/C复合材料的示意图。b，c） 制备的C/C复合材料的SEM图像。d） 来自FIB蚀刻的PC涂层CF横截面的SEM图像。e–g） TEM 图像对应于图 1d 中的 e） 上部、f） 中部和 g） 下部位置。
图2、C/C复合电极的结构表征
图3、C/C电极的电化学性能
图4、C/C电极中的锂离子存储机理
图5、a) C/C 复合材料中的锂离子存储机制示意图。b) C/C|||LFP 和 Gr|||LFP 袋式电池的应力-应变曲线和 c) 三点弯曲曲线。d) 监测循环过程中袋式电池所受压力的装置示意图。e) C/C||LFP 和 f) Gr||LFP 袋式电池在 0.1 C下的充放电稳定性的叠加压力影响。
3小结
开发了具有独特核壳型杂化碳结构的C/C复合材料作为一种新型的锂离子存储阳极材料。作为独立电极的轻质C/C复合材料消除了对粘合剂、额外导电剂和金属集电器的需求。得益于低曲折度、高电子/离子电导率和独特的核/壳结构，3D C/C阳极表现出比通常用于结构电池的CF基阳极显著改善的电化学性能（包括比容量、倍率能力和循环稳定性）。具有适当缺陷的C/C阳极扩大了层间距，微孔纳米结构倾向于“吸附-插层-填孔”的锂离子存储机制。当组装到具有LFP阴极的高质量负载（LFP为34 mg cm++−2，C/C为20 mg cm−2）下的全电池中时，C/C||LFP电池在0.1℃下达到高达157 mAh g−1的高比容量（在1C下保持在139 mAh g–1），并在0.5C下稳定循环200多次。令人惊讶的是，在相同质量负载下，C/C|LFP的电化学性能甚至超过了商用Gr||LFP电池的电化学性能。此外，与具有传统Gr阳极的袋状电池相比，基于C/C阳极的袋式电池明显表现出提高的机械强度和机械电化学耦合特性。上述结果证明了C/C复合材料作为结构锂离子电池的先进多功能阳极的巨大潜力。
文献：
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