【顶刊】Nature Energy：碳纳米管“双管齐下”，赋予电池超高容量

面积容量在电极评估中非常关键，想要提高锂离子电池的储能容量，则需要最大限度地提高其面积容量。然而，对同一种材料而言，在电极做厚的同时，还要让它保持原有的高容量是非常困难的。而且，随着电极厚度的增加，其力学稳定性相对减弱，并且导电性也会下降。

在电池中，不管是正极还是负极，其面积容量C/A = C_SP×M/A。

其中为C_SP质量比容量，单位为mAh g⁻¹；M/A为负载质量，单位为gcm⁻²。

从上式中看，只有同时扩大C_SP和M/A，才会实现高面积容量。这是很困难的，挑战来自两个方面：

（1）常见高性能的电极材料都是基于颗粒状的，当电极厚度超过临界厚度CCT时，这些颗粒便会遭到结构破坏，即便加入粘结剂也没多大作用。

（2）电极越厚，加入的导电剂就得更多，而炭黑（CB）等标准添加剂的产量低和电极导电性不均匀不稳定等因素，严重限制了电化学性能，特别是对于较厚的电极来说。

有鉴于此，爱尔兰都柏林圣三一大学Valeria Nicolosi和Jonathan N. Coleman等人利用分离的碳纳米管(CNTs)同时作为电极材料粘结剂和导电剂，无需添加任何额外的聚合物和CB，赋予NMC//Si电池超高的面积容量。

电极厚度可达800μm，复合电极的导电性为1×10⁴Sm⁻¹；当组装出电池后，电池负极容量高达45 mAhcm⁻²，正极容量高达30 mAhcm⁻²，整体能量密度为480Whkg⁻¹和1,600WhL⁻¹。

图1. 多级复合电极材料的制备。A，将CNT分散水溶液与颗粒活性材料粉末混合，并将浆料涂覆在集流体上，以形成坚固柔韧的电极。B，多级Si/CNT复合电极示意图。C，μ-Si (5μm)/CNT负极的SEM截面图，从图c到e，CNT的含量变化为0.5 to 7.5wt%。g，h：μ-Si/7.5wt% CNT负极的高倍SEM截面图。

图2. 活性材料的优化。a，Si和NMC在不同尺寸下的SEM图；b，Si/CNT和NMC/CNT电极电导率随含量的变化；c，电解质电阻(R_electrolyte), 电极电阻(R_electrode)和电荷传质电阻(R_CT)的变化；d，电极电导率和面向电导率的对比；e，2μmSi/CNT复合电极首次充放电曲线随含量的变化；f，Si/CNT电极和NMC 532、NMC 811电极比容量的变化；g，Si/CNT在不同含量CNT下与传统制备方法的容量对比。

图3. 力学性能随厚度的变化。a，2μmSi/CNT电极的应力应变曲线；b，NMC811/CNT复合电极的应力应变曲线；c，拉伸韧性图随CNT含量的变化；d，面向电导率和电极粗糙度之间的关系；e，传统电极和CNT复合电极的图片对比；f，g：电极厚度随质量负载的变化；h，最厚电极的SEM截面图。

图4. 由2μm-Si/7.5wt%CNT复合负极与NMC811/0.5wt%CNT复合正极共同组装出的全电池性能。a，电池第二圈的放电曲线；b，全电池在不同负载下的循环稳定性；c，d：全电池的倍率性能；e，本文数据的Ragone对比图；f，能量密度随面积容量的变化。

该工作以“High areal capacity battery electrodes enabled by segregatednanotube networks” 为标题于2019年6月17日发表在国际顶刊NatureEnergy上。

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

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0398-y