高能量密度LiFePO4 干法电极的精准调控制备及其电化学性能研究

为解决传统湿法工艺中纳米级LiFePO4 (LFP)正极材料因粘结剂不均匀聚集导致的电极性能下降问题，韩国汉阳大学团队创新性地通过干法电极工艺，结合碳纳米管(CNTs)修饰的微米级LFP颗粒（LFP@CNTs）和精准剪切力调控的聚四氟乙烯(PTFE)原纤化技术，成功制备出电极密度达2.4 g cc?1 的高能量密度LFP干电极(LFP-DE)。该电极在5 mAh cm?2 高负载下仍保持148.4 mAh g?1 的可逆容量和99%的循环稳定性，为电动汽车安全电池系统提供了新思路。

　　

在电动汽车快速发展的浪潮中，锂离子电池(LIBs)作为核心动力源面临安全性与能量密度的双重挑战。LiFePO₄
(LFP)正极因其卓越的热稳定性和循环寿命成为安全首选，但其低电导率(10^?6
-10^?10
S cm^?1
)和湿法工艺导致的纳米颗粒团聚问题，长期制约着电极性能突破。传统湿法加工中，溶剂干燥产生的毛细作用力使粘结剂与纳米片LFP异质聚集，最终引发电极涂层破裂和集流体剥离。

韩国汉阳大学Jang-Yeon Hwang团队在《Materials Science and Engineering: R: Reports》发表的研究中，开创性地从颗粒到电极层面系统调控干法工艺。研究采用喷雾干燥法制备微米级LFP颗粒（~10 μm），通过0.3 wt%碳纳米管(CNTs)涂层提升导电性，并利用1 wt%聚四氟乙烯(PTFE)的原纤化特性构建弹性网络。关键技术创新包括剪切力调控实现连续原纤化、CNTs润滑保护颗粒完整性，以及微米级颗粒的介孔结构设计。

结果与讨论

• 材料设计：微米级LFP@CNTs颗粒兼具高振实密度(>0.8 g cc^?1
  )和分级介孔结构，TEM显示5.6 nm均匀碳层包裹。
• 电极工艺：剪切力精确控制使PTFE形成三维网络，电极密度突破2.4 g cc^?1
  且无颗粒破碎，SEM显示孔隙分布均匀。
• 电化学性能：5 mA cm^?2
  下100次循环容量保持率99%，15 mA cm^?2
  高倍率下仍保持优异功率特性。石墨/LFP-DE软包全电池验证700次循环稳定性。

结论与意义
该研究通过多尺度调控策略：颗粒层面选择高密度微米LFP@CNTs，工艺层面创新干法原纤化技术，解决了纳米材料干法加工的共性难题。LFP-DE电极密度(2.4 g cc^?1
)比传统纳米电极提高200%，5 mAh cm^?2
高负载下面积容量提升150%，为高安全动力电池提供了可规模化生产的解决方案。研究首次证实微米级颗粒在干法工艺中的优势，其"高密度-高导电-强机械"协同设计理念可拓展至其他电极体系。