使用碳填充剂改善高能锂离子电池

具有可扩展能量存储系统的单壁碳纳米管（SWCNT）的厚电极。

锂离子电池中的导电碳填充物可实现高功率输出并具有可逆能量存储。

锂离子电池是许多便携式设备以及电动汽车的主要可充电电源，但其使用受到限制，因为它们不提供高功率输出，同时又允许可逆的能量存储。AIP Publishing在 Applied Physics Reviews中报告的研究旨在通过显示包含导电填料如何改善电池性能来提供解决方案。

最佳的电池设计涉及较厚的电极结构。这样可以提高能量密度，但是设计会遇到锂离子传输不良的问题，这是这些电极功能的关键一步。已经尝试了各种改进技术，包括建立垂直排列的通道或创建适当尺寸的孔以促进锂离子的运输。

另一种方法涉及使用由碳制成的导电的填料。这项研究考虑了三种类型的填料：单壁碳纳米管（SWCNT），石墨烯纳米片和一种称为Super P的物质，Super P是在石油前体氧化过程中产生的一种炭黑颗粒。Super P是锂离子电池中最常用的导电填料。

将填料添加到一种称为NCM的电极材料中，该材料包含镍，钴和锰。研究人员用扫描电子显微镜检查了所得的复合材料。发现Super P和NCM粒子以点对点接触模式排列。

然而，SWCNT被包裹在NCM颗粒周围，形成导电涂层。另外，在NCM颗粒之间的空间中观察到互连的SWCNT的网络。石墨烯纳米片也包裹在NCM电极颗粒周围，但不像SWCNT那样均匀。

发现SWCNT是NCM电极的最佳导电填料。

其中一位作者于桂华说：“测得…的电导率与渗流理论一致，当在绝缘基体中添加导电填料时，一旦形成穿过复合材料的第一条导电路径，电导率就会显着增加。”

由于渗滤需要通过填料的完整路径，因此需要足够量的导电填料。因此，研究人员考虑了各种数量的填料，发现将NCM电极与低至0.16％（重量）的SWCNT结合使用可产生良好的导电性。为了获得这些相同的结果，需要更高数量的Super P和石墨烯。

研究人员使用了多种光谱技术，包括拉曼光谱和X射线吸收光谱法，对所得的复合材料进行了研究。

“这是中尺度运输特性中心的一项共同努力，该中心是受美国能源基础能源科学计划支持的能源前沿研究中心。我们的发现表明，将SWCNT集成到NCM电极中有助于离子和电荷转移。这将导致更高的电化学利用率，尤其是在高放电速率下。”

参考：Juzhenyu Ju，张小，Steven T. King，Calvin D.Quilty，Yue Zhu，Kenneth J. Takeuchi，Esther S. Takeuchi，“揭示用于高能量存储系统的厚电池电极中的导电填料的尺寸效应”， David C.Bock，王雷，Amy C.Marschilok和Guihua Yu，2020年11月10日，应用物理评论。
10.1063/5.0024123