用于可扩展能量存储系统的具有单壁碳纳米管（SWCNTs）的厚电极。署名：朱正宇、余桂花

锂离子电池中的导电碳填充物可实现高功率输出和可逆储能。

锂离子电池是许多便携式设备和电动汽车的主要可充电电源，但其使用受到限制，因为它们不能提供高功率输出，同时允许可逆能量存储。AIP出版公司在《应用物理评论》上报道的研究旨在通过展示导电填料如何提高电池性能来提供解决方案。

最佳的电池设计包括厚电极结构。这提高了能量密度，但该设计的锂离子传输较差，这是这些电极发挥作用的关键一步。已经尝试了各种改进技术，包括建立垂直排列的通道或产生适当尺寸的孔，以促进锂离子的传输。

另一种方法是使用由碳制成的导电填料。这项研究考虑了三种类型的填料：单壁碳纳米管（SWCNTs）、石墨烯纳米片和一种称为Super P的物质，一种在石油前体氧化过程中产生的炭黑颗粒。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，该材料含有镍、钴和锰。研究人员用扫描电子显微镜检查了所得复合材料。发现Super P和NCM颗粒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。此外，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。

SWCNTs被发现是用于NCM电极的最佳导电填料。

“测量的电导率与渗流理论一致……当将导电填料添加到绝缘基体中时，一旦形成穿过复合材料的第一条导电通路，电导率就会显著增加，”作者之一余桂华说。

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，研究人员考虑了不同量的填料，并发现将NCM电极与低至0.16%重量的SWCNT组合可产生良好的导电性。需要更高量的Super P和石墨烯才能获得这些相同的结果。

研究人员使用了包括拉曼光谱和X射线吸收光谱在内的几种光谱技术来研究所得复合材料。

“这是中尺度传输财产中心的合作成果，该中心是美国能源部基础能源科学项目支持的能源前沿研究中心。我们的研究结果表明，将SWCNT集成到NCM电极中有助于促进电荷转移。这将导致更高的电化学利用率，尤其是在高放电率下，”余说。

参考资料：“揭示高能存储系统厚电池电极中导电填料的尺寸效应”，作者：朱正宇、张晓、史蒂文·T·金、卡尔文·D·奎蒂、朱悦、肯尼斯·J·竹内、埃丝特·S·竹内，大卫·C·博克、王磊、艾米·C·马奇洛克和余桂花，2020年11月10日，《应用物理学评论》。

DOI:10.1063/5.0024123