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图2、 UCFR-LFP复合电极的理化性质表征
(a,b)UCFR-LFP复合电极在不同放大倍率下的SEM图像;
(c)UCFR-LFP复合电极中Fe、C、Ca和O的 EDX元素分布图像;
(d)UCFR-LFP复合电极和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极的电导率;
(e)UCFR-LFP复合电极在不同弯曲条件下的数码照片;
(f)UCFR-LFP复合电极在不同弯曲状态下的导电性演示数码照片;
(g)UCFR-LFP复合电极和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极的孔隙率;
(h,i)UCFR-LFP复合电极(h)和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极(i)的电解液浸润和扩散性能测试结果。
图3、UCFR-LFP复合电极和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极的电化学性能和动力学分析
(a)UCFR-LFP复合电极和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极在2C电流密度下的循环性能;
(b)UCFR-LFP复合电极和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极的倍率性能;
(c)UCFR-LFP复合电极和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极在0.5C电流密度下的充放电曲线;
(d)UCFR-LFP复合电极和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极的循环伏安曲线;
(e)UCFR-LFP复合电极和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极的EIS谱图;
(f,g)UCFR-LFP复合电极和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极的GITT测试结果。
图4、高活性物质负载量的UCFR-LFP复合电极的微观结构和电化学性能
(a–c)高活性物质负载量(36、72和108mg cm–2)的UCFR-LFP复合电极的横截面SEM图像;
(d)在高倍下的SEM图像;
(e)具有不同活性物质负载量的UCFR-LFP复合电极的循环性能;
(f)UCFR-LFP-108mg cm–2复合电极在0.9至9 mA cm–2的各种电流密度下的充放电曲线;
(g)UCFR-LFP-36mg cm–2复合电极在3 mA cm–2(0.5C)电流密度下的循环性能。
图5、 UCFR-LFP复合电极的热稳定性和高温工作特性
(a,b)UCFR-LFP复合电极采用的羟基磷灰石超长纳米线(HAP NWs)和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极采用的铝箔(Al foil)和聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂的TG(a)和DSC (b)曲线;
(c)UCFR-LFP复合电极和传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极在不同热处理温度条件下的数码照片;
(d) UCFR-LFP复合电极独特的耐火特性,在酒精灯火焰加热10分钟后,UCFR-LFP复合电极仍能较好地保持其结构稳定性和导电性;
(e)传统磷酸铁锂(Con-LFP)电极的热稳定性测试,在置于酒精灯火焰上10秒后,传统涂布电极很快被烧断;
(f,g)UCFR-LFP复合电极的高温工作特性。
小结
研究人员采用羟基磷灰石超长纳米线,科琴黑纳米颗粒,碳纤维和LiFePO4粉末作为起始材料,通过简易的静电辅助自组装方法构筑了一种既可以耐高温、又具有高活性物质负载量的新型磷酸铁锂(UCFR-LFP)复合电极,用于高安全性锂离子电池正极。得益于各构筑基元之间的相互作用,所制得的复合电极可以实现较高的活性物质负载量(最高可达108 mg cm–2)和面积比容量(最高可达16.4 mA h cm–2),大约是传统涂布电极的5倍。除此之外,羟基磷灰石超长纳米线独特的热稳定性还赋予该复合电极优异的耐高温、耐火和宽工作温度范围等特性。预期该制备方法还可以拓展到其它电极材料,与工业上使用的造纸工艺类似,易于放大生产,显示出良好的兼容性和实际应用潜力。该研究工作对提升锂离子电池关键材料的热耐受性与安全性以及发展可在极端条件下使用的高性能锂离子电池具有重要的意义。
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