通过导电添加剂方法调整电极配方和微观结构，实现高面积容量复合正极性能的提升

《Advanced Energy and Sustainability Research》：Enabling Enhanced Performance of High Areal Capacity Composite Positive Electrodes by Tailoring Electrode Formulation and Microstructure via a Conductive Additive Approach

锂离子电池正极电极通过添加导电添加剂（如碳纳米管、导电石墨）优化配方，显著提升比容量至146mAh/g（0.5C），较基准提高60%。研究分析了导电剂对电子导电性、电极孔隙率和循环稳定性的影响，发现多孔结构和高电子通路使厚电极（8mAh/cm2）在高速充放电下仍保持良好性能，并验证了复合添加剂协同效应。

　　锂离子电池因其高比容量和轻量化特性，在能量存储领域占据重要地位。这些电池在便携电子产品、电动汽车等广泛应用中扮演着关键角色。然而，其正极材料的性能是限制电池整体比容量的重要因素，尤其是在充放电循环过程中。因此，研究如何优化正极材料的配方，以提高其电化学和物理性能，成为提升电池性能的关键方向。通过引入不同的碳材料作为导电添加剂，可以改善电极浆料的加工性能，同时增强电极的导电性和结构稳定性。例如，研究显示，使用含有碳纳米管（CNTs）和导电石墨（CG）的电极配方，可以显著提高电极的比容量和电化学性能。

在本研究中，研究人员针对正极材料的配方优化，引入了多种碳材料，包括碳黑（CB）、导电石墨、碳微纤维（CMF）、单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）。这些材料在电极中的添加比例和种类对电极的物理和电化学性能具有显著影响。通过调整配方，研究人员成功制造了具有45?mg cm?2活性物质负载的优化电极，并获得了高达146?mAh g?1的比放电容量，比仅使用CB的基准电极提高了60%。这一成果展示了碳纳米管在提升电池性能方面的潜力。

在电极浆料的制备过程中，研究人员发现，通过调整碳材料的添加比例和种类，可以显著降低浆料的粘度，从而提高加工效率。例如，添加低比表面积的导电石墨和碳微纤维，有助于降低浆料粘度，使固含量（SC）提高到80%。相比之下，高比表面积的碳纳米管则需要较低的固含量（68%）以维持合适的流变性能。这种调整不仅有助于提高电极的加工性能，还能够减少溶剂的使用，从而降低生产成本。

在物理性能方面，电极的机械完整性受到粘结剂覆盖活性材料（AM）和碳材料（CA）颗粒的影响。研究显示，含有碳纳米管的电极表现出更高的粘附强度，同时电子导电性也显著提高。例如，f-SWCNT1电极的电子导电性达到15.2?mS cm?1，是基准电极（2.3?mS cm?1）的6倍。这种导电性的提升有助于提高电极在高倍率下的性能，减少锂离子在电极内部的运输阻力。

在电化学性能方面，研究发现，含有碳纳米管的电极在不同倍率下表现出更高的比放电容量。例如，在2?C倍率下，f-SWCNT2电极的比放电容量达到92?±?7?mAh g?1，比基准电极提高了484%。这表明碳纳米管在提升电极的电化学性能方面具有重要作用。同时，研究还发现，碳纳米管的添加能够改善电极的微观结构，形成更有效的导电网络，从而提升锂离子的迁移速率和电极的循环稳定性。

在微观结构分析中，研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）和汞渗透法（MIP）对电极的孔隙结构进行了深入研究。结果表明，含有碳纳米管的电极具有更小的孔隙分布和更高的内孔隙率（ε_CB），这有助于缩短锂离子的运输路径，提高电解液的接触面积和离子迁移速率。此外，碳纳米管的加入还能够降低电极的曲折度（tortuosity），从而减少离子传输阻力。这些因素共同作用，使得含有碳纳米管的电极在高倍率下表现出更高的比放电容量和更好的循环稳定性。

在长期充放电测试中，研究人员观察到含有碳纳米管的电极具有更高的状态健康度（SOH）。例如，经过400次充放电循环后，f-SWCNT3电极的比放电容量保持在146?±?2?mAh g?1，而基准电极（f-Benchmark）的比放电容量仅保持在114?±?1?mAh g?1。这表明碳纳米管的添加不仅提高了电极的初始性能，还增强了其长期使用的稳定性。

此外，研究还探讨了不同碳材料对电极性能的综合影响。例如，导电石墨的加入虽然降低了粘附强度，但能够显著提高电极的孔隙率，从而改善锂离子的迁移性能。而碳纳米管的加入则在提高电子导电性的同时，保持了较高的粘附强度。这些材料的组合使用，使得电极能够在高负载下保持良好的电化学性能。

在实际应用中，这些优化的电极配方可以显著提高电池的能量密度和比容量。例如，通过增加电极厚度和优化配方，研究人员成功制造了具有8?mAh cm?2面积容量的电极，这在电动汽车等高能量需求的应用中具有重要意义。这些优化措施不仅提高了电池的性能，还为未来高能量密度电池的开发提供了新的思路。

综上所述，通过优化正极材料的配方，引入不同的碳材料作为导电添加剂，可以显著提高锂离子电池的电化学性能和物理性能。这种优化不仅有助于提高电池的比容量和循环稳定性，还能够降低生产成本，提高能量密度。这些研究成果为未来高性能锂离子电池的开发和应用提供了重要的理论基础和技术支持。