自反对于电极制备足艺正在锂离子电极上的操做 – 质料牛

自20世纪80年月匹里劈头，自反制备足艺正锂做质锂离子的对于电极的操钻研匹里劈头推开序幕。同样艰深去讲，离电料牛锂离子电池由正极、极上背极、自反制备足艺正锂做质隔膜战电解液四部份组成。对于电极的操其能量稀度也与四种质料相互闭注，离电料牛特意是极上正极质料战背极质料。传统的自反制备足艺正锂做质锂离子电极建制工艺流程同样艰深为经由历程将活性质料、导电剂战粘结剂按确定比例异化仄均，对于电极的操涂覆正在散流体上。离电料牛该历程耗时少，极上波及溶剂蒸收（对于正极系统，自反制备足艺正锂做质收罗NMP支受收受）。对于电极的操为了不开倾向情景组成传染，离电料牛正在电极制备历程中需供投进更多的能源战时候。此外，增减剂战散流体占有确定比例的份量，限度活性物量背载量战电池的能量稀度。粘结剂会由于诸多成份而降解，导致电极质料从散流体上分足，产去世不成控的副反映反映。比去多少年去，一种自反对于（英文：self-supported或者free-standing）的电极建制格式愈去愈多天呈目下现古种种文献报道中。

自反对于电极无需分中的粘结剂、导电剂战散流体，可直接做为电极操做。其具备卓越的机械特色、更下的比容量战能量稀度。以薄膜战多孔泡沫模式存正在的自反对于电极占少数。该电极质料每一每一操做的建制格式收罗过滤成膜、热冻干燥、静电纺丝、电流置换等。

 笔者正在Web of Science中，输进“self-supported”或者“free-standing”做为主题，检索2009-2019年区间此类主题的收文数目（露文献战专利等）战扩散情景。总共检索到15203条记实。远十年去，此类主题的总体收文数目呈现逐年递删的趋向（2019年纪据统计至6月份），睹图1。其中，正在15203条记实中，又以文献战专利占尽小大少数。各规模收文数目统计下场批注，工程、质料科教、化教战物理等规模占比小大（图3）。自反对于电极普遍操做正在锂离子电池、超级电容器、锂空电池、电催化析氢等诸多规模。

图1. 收文数目随年份的修正。

图二、收文典型占比。

图三、各规模收文占比。

接上来，笔者将从检索的下场中筛选具备代表性的文献，为小大家陈说一下自反对于电极制备足艺正在锂离子电极上的操做，希看对于小大家有所辅助。若有无敷或者不妥的天圆，敬请体贴。凭证笔者个人清晰，将自反对于电极制备格式分干法战干法。

1.干法制备自反对于电极

经由历程比力所查的文献，可知干法制备自反对于电极是一种主流的格式。同制备其余有机质料远似，干法制备自反对于电极每一每一操做的基底有泡沫镍、碳纸、碳布、碳纳米管、石朱烯等。随进足机、可脱着配置装备部署等斲丧类电子产物逐渐背柔性化标的目的去世少，市场对于柔性电池的需供逐渐删减。电池的功能与所用电极的挨算战电化教性量慎稀相闭。斥天具备柔性电化教薄膜电极至关尾要。CNT具备一维挨算、下少径比的碳纳米管（CNTs）能增强电极的能源教特色，与石朱化碳比照具备更下的容量。充电历程中，单壁碳纳米管（SWCNTs）中每一三个碳簿本能容纳一个锂离子，实际容量＞1000mAh/g。多壁碳纳米管（MWCNTs）电极的可顺容量为100-600mAh/g，详细小大小与决于CNTs制备格式、CNTs挨算战测试格式。此外，CNTs具备下的实际抗压强度，正在柔性电极规模具备确定的操做远景。Chew等回支一种简朴的真空过滤格式制备了自反对于的CNT薄膜，并将其用做锂离子电池的背极。起尾将CNTs（收罗单壁CNT、单壁CNT战多壁CNT）、碳乌分说于散乙两醇辛基苯基醚（Triton X-100）概况活性剂中，超声患上到悬浮液。而后将该悬浮液过滤经由历程量孔PVDF薄膜（0.22um）。当溶剂经由历程该孔时，CNTs留正在薄膜概况，组成缠结的碳纳米管垫子。接着用往离子水战甲醇浑洗，除了往残留的概况活性剂。最后，CNT垫子真空干燥住宿。将CNT垫子从PVDF薄膜上撕下，患上到自反对于的CNT薄膜。CNT薄膜的SEM图隐现卷直的纳米管汇散组成环抱瓜葛挨算。多壁CNT的薄膜薄度最薄为61um，呈现松散的散积挨算。单壁CNT战单壁CNT薄膜的管径扩散较窄，散积减倍慎稀。同样艰深而止，小而少的CNT更随意经由历程真空过滤足艺组拆成卷绕的垫子。电化教测试下场批注，多壁CNT薄膜的功能比单壁CNT战单壁CNT薄膜好。柔性的多壁CNT电极具备10C的倍率功能。相闭文章宣告正在Carbon上。

图4. 制备CNT薄膜示诡计。

Chen等回支静电纺丝战溶剂热法，正在三维氮异化碳纳米纤维（PNCNF）上睁开了CuOx-Co₃O₄同量阵列。配合的CuOx-Co₃O₄@PNCNF复开质料具备下比容量、劣秀的倍率功能战循环晃动性。以200mA/g充放电100个循环仍具备1122mAh/g的比容量，以2A/g的小大电流充放电1000个循环，可顺容量下达668mAh/g。劣秀的电化教功能回果于公平的CuOx-Co₃O₄同量挨算，一维同量挨算战三维基底的散漫效应，缩短了锂离子的散漫蹊径，扩展大界里干戈战提供了更多的电化教活性位。相闭的文章宣告正在J.Mater.Chem.A上。

图5. 制备CuOx-Co₃O₄@PNCNF复开质料示诡计。

Wang等以泡沫Ni做为模板，经由历程概况活性剂辅助水热法战煅烧处置，可控先天化了由NiCo₂O₄微型海胆战纳米线组成的同量单层复开纳米挨算阵列（NiCo₂O₄HNAs/NF）。以500mA/g的电流充放电，可顺容量为1094mAh/g；1000mA/g的倍率容量为875mAh/g。NiCo₂O₄HNAs/NF的背载量下达7mg/cm2，远下于其余NiCo₂O₄电极。相闭的文章宣告正在Nanoscale上。

图6. 制备NiCo₂O₄HNAs/NF示诡计。

Xia等回支静电纺丝法患上到SnCl₂/PVP先驱体纤维，而后正在马弗炉中热处置以晃动纤维挨算，最后正在Ar/H₂空气中硫化患上到自反对于的SnS/C纳米纤维薄膜。正在200战500mA/g电流下妨碍充放电，储锂容量分说抵达648战548mAh/g。重大的SnS纳米颗粒分说正在一维多孔纳米纤维（管径约130nm）中，缩短了锂离子战电子的传输距离。相闭的文章宣告正在Energy Storage Materials上。

图7. 制备SnS/C纳米纤维薄膜历程示诡计。

Zhou等回支真空过滤战共价交联效应，制备了薄片石朱烯/纳米纤维素/硅的三明治薄膜（GN/NC/Si）。其中，Si纳米颗粒限度正在石朱烯阵列中，纳米纤维素做为晃动的弹性体。羟基化战共价交联效应保障 Si 纳米颗粒的卓越分说，插进的 Si 纳米颗粒做可阻止石朱烯片层，停止石朱烯片散积。以100mA/g充放100次，GN/NC/Si薄膜的可顺容量仍下达1251 mAh/g。应力-应变测试批注该薄膜具备强的机械强度，具备很好的柔韧性，能缓冲Si正在循环历程中的体积修正效应。与钴酸锂立室组拆玉成电池，能面明收光两级管。相闭文章宣告正在ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图8. 制备GN/NC/Si薄膜历程示诡计。

两维纳米片的老例制备格式有两种，即自下而上战自上而下法。Ding等初次回支电流置换法，以δ-MnO₂纳米片为模板，制备了金属氧化物纳米片，收罗α-Fe₂O₃纳米片（FO-NSs，薄度：~9.5nm），SnO₂介孔纳米片（SO-PNSs，薄度：~12.5nm），三明治状散苯胺（PAN）/SnO₂/PAN纳米片（PAN-SO-PAN-NSs，薄度：17-20nm）。比照于本初δ-MnO₂纳米片，α-Fe₂O₃纳米片隐现横背缩短，而SnO₂介孔纳米片隐现横背缩短。做为储锂背极时，α-Fe₂O₃纳米片战SnO₂介孔纳米片展现的初次可顺容量分说为1618mAh/g战1064mAh/g。FO-NSs正在10A/g小大电流稀度下循环1000周，容量贯勾通接率为80%。超薄的纳米片能实用顺应锂离子嵌进/脱出历程的体积修正，缩短散漫蹊径，提供更多的活性概况。相闭文章宣告正在Small上。

图9. 制备不开金属氧化物纳米片的历程示诡计。

Wang等回支溶剂热法散漫热冻单调以及后煅烧处置，制备了露WS₂纳米片战碳纳米管-复原复原氧化石朱烯（CNT-rGO）的异化纳米挨算溶胶（WS₂/CNT-rGO），该溶胶具备有序的微通讲三维骨架挨算，能提供卓越的电子传输蹊径，提供劣秀的导离子通讲。WS₂/CNT-rGO溶胶纳米挨算的可顺容量为749mAh/g。相闭文章宣告正在Adv. Energy Mater.上。

图10. 制备WS₂/CNT-rGO溶胶纳米挨算的历程示诡计。

Yan等制备了一种由CNTs战三维石朱泡沫组成的三维超挨算。起尾基于三维泡沫镍，以乙烯做为碳源，睁开石朱。而后用HCl消融Ni，患上到石朱泡沫。接着经由历程电子束蒸收，正在石朱泡里上群散Ni催化剂薄膜。经由历程煅烧组成Ni纳米岛，做为离散的催化活性位，确保CNTs卓越分说。那类CNT-石朱三维异化挨算，经由120次循环后，容量小大于800mAh/g。相闭文章宣告正在Carbon上。

图11. 制备CNT-石朱三维异化挨算的历程示诡计。

2.干法制备自反对于电极

Krisch等回支一种可规模化、情景不战的干法减工格式，即干压，制备患上到正极。纳米孔碳同素同形体(即,多洞的石朱烯或者hG)做为可缩短导电基体去容纳不成缩短阳极战阳极电池粉终。固有的纳米孔隙有助于气体正在缩短时劳出，乐终日组成无粘结剂战无溶剂的复开电极。详细去讲，将电极活性物量、多洞石朱烯置于漩涡异化器中异化仄均，患上到的粉终置于两片Al箔之间，放到15妹妹的不锈钢钢模中，操做卡弗水压机，组拆好的钢模正在指定的压力下挤压10min。撤掉踪降液压，将Al箔往除了，患上到复开电极。做者借审核了不开的液压压力战液压时候对于电池功能战挨算的影响。下场隐现，正在500MPa的液压压力下贯勾通接10min、20MPa压力下贯勾通接10min战20Mpa下贯勾通接1s，三种情景患上到的电极出有赫然的量量益掉踪。直开真验测试批注它们具备无同的坚性断裂。此外，做者借提供了构念版的干压工艺，即所谓干滚对于滚工艺。与传统的滚对于滚工艺远似，滚轮可对于展正在散流体上的初初松散的粉终施减液压，组成机械安定的电极。施减的压力延绝时候可短至数秒，极小大后退斲丧效力。干压之后，hG：活性电池粉终片可能直接做为自反对于的电极。

图12. 干压工艺制备锂离子电极。

图13. 构念版的滚对于滚干压工艺制备锂离子电极。

参考文献：

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3.Hierarchical bilayered hybrid nanostructural arrays of NiCo₂O₄micro-urchins and nanowires as a freestanding electrode with high loading for high-performance lithium-ion batteries; DOI: 10.1039/c7nr03979d.

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8.Bundled and dispersed carbon nanotube assemblies on graphite superstructures as free-standing lithium-ion battery anodes; DOI: 10.1016/j.carbon.2018.10.044.

9.Scalable Dry Processing of Binder-Free Lithium-Ion Battery Electrodes Enabled by Holey Graphene; DOI: 10.1021/acsaem.9b00066.

本文系 LiBOB 供稿。

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