提高锂离子电池（LIBs）的电极面积容量可以提高能量密度并降低制造成本，但也面临着制造、速率性能和循环稳定性方面的挑战。因此，具有高面积容量的厚电极的实际实施需要具有改善的电荷转移动力学、减少的发热和改善的散热的材料。
诺奖得主Whittingham团队提出了一种由商用微型碳纤维(Cfs)制成的导电框架，用作LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(NMC532) 阴极和Cfs阳极的主体。Cf框架具有多种功能，可提供高电子电导率（270mScm -1）、低弯曲度（1.7）、低Li +扩散电阻（22Ω）和高导热率（200WmK -1）。此外，Cf集成电极可以具有极高的NMC 532质量负载（70mgcm -2），理论容量为14mAhcm -2。因此，与支持Cfs的电极组装的实际全电池表现出 4.1mAhcm -2 的初始面积容量和在 C/3、1.5 mA cm -2 的循环速率下500次循环时容量保持率为90.4%。从操作等温微量热法收集的数据表明，与使用传统石墨阳极的电池相比，使用 Cf 阳极的全电池从副反应中释放的热量更少。目前的方法具有可扩展性和成本效益，可以制造具有高面积容量、倍率性能和长循环寿命的实用LIB。
该研究以题目为“3D-Integrated, Multi-Functional Carbon Fibers for Stable, High-Areal-Capacity Batteries”的论文发表在材料领域国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》上。
图文导读
锎电极的扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线分析（EDS）和光学特性。
锎阳极和石墨阳极的比较。
NMC 532 全电池示意图。
a) NMC 532 全电池的电化学性能与速率能力 b) 采用 Cf/NMC 532 阴极与 Cf（红色）或石墨（绿色）阳极的电池在 C/10、C/5、C/3、C/2 和 C/10 条件下的库仑寿命。c) C/10、C/5、C/3、C/2 和 C/10 下的归一化放电容量；d) c) 在 C/10、C/5、C/3、C/2 和 C/10 条件下的归一化放电容量；d) 放电平均容量（第一周期为 c/10，其他为 c/3）和长期循环的库仑寿命；e) Cf/NMC 532 与 Cf 的电压与容量关系曲线；f) 长期循环的容量保持率 g）Cf/NMC 532 与石墨的电压与容量关系曲线。
石墨和碳化钙阳极的形态和过充电行为研究。
SEM 和 EDS 表征循环电极。
等温显微量热仪。
总结
该研究团队设计了三维集成Cf电极可以用作阴极材料的主基板、热导体、电流收集器和 LIB 的阳极、电流收集器。
排列整齐的Cf电极微通道具有 1.7 的低迂回度、高电导率（0.27 Scm-1）、高热导率（200WmK-1）和低锂离子传输电阻（22Ω）。垂直排列的 Cfs 可处理 70mgcm-2 的最大质量负载，具有较大的电活性表面积，可用于电解质润湿和锂离子传输。完全电池循环中使用的阴极的质量负荷较低，为≈30mgcm-2，仅根据电极的质量，对应的重力能量密度为≈380Whkg-1(C/3)。由于垂直排列的Cfs 具有独特的结构，因此电极具有高面积容量、高速率能力、高库仑寿命和出色的容量保持能力。NMC532/Cf相对于Cf 的全电池在C/3 条件下（1.5mAcm-2）的初始放电平均容量为4.1mAhcm-2，容量保持率分别为90.4%（500次）78.1%（1000 次）和65.5%（1500 次），库仑电容平均值为 99.8%。相反，NMC 532/Cf 与石墨电池相比，在500次循环后仅保留了43%的容量。等温微量热分析表明全锎电池的热释放量减少了27%，这表明寄生反应更少，SEI形成更少，因此容量保持率更高。对长期循环的NMC532颗粒与原始颗粒形态一致、表明电极上的热应力极小。
为了保持较低的迂回度并容纳更多的活性材料，采用先进的电极设计和制造技术至关重要。研究团队看好三维集成 Cf 电极的潜力，认为这是一种实用、经济的方法，可以生产出具有较低迂回度的高容积电极。这种方法很容易扩展也可应用于其他阴极和阳极化学物质。
文章来源：/10.1002/aenm.202301295
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