3D‐Integrated, Multi‐Functional Carbon Fibers for Stable, High‐Areal‐Capacity Batteries

阳极 材料科学 电极 阴极 化学工程 碳纤维 复合材料 纳米技术 电气工程 复合数 化学 物理化学 工程类
作者
Zhiming Liang,Yangyang Wang,Ben Pei,Seoung‐Bum Son,Martin Nguyen,Nicholas R. Singstock,Shaofeng Huang,Michael Mo,Jianlin Li,M. Stanley Whittingham,Chunmei Ban
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (37) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/aenm.202301295
摘要

Abstract Increasing lithium‐ion batteries' (LIBs) electrode areal capacity can boost energy density and lower manufacturing costs, but faces challenges in manufacturing, rate performance, and cycling stability. A conductive framework made of commercial micro‐sized carbon fibers (Cfs) is presented that serves as a host for both the LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NMC 532) cathode and Cfs anode. The Cf framework has multiple functions that offer high electronic conductivity (270 mS cm −1 ), low tortuosity (1.7), low Li + diffusion resistance (22 Ω), and high thermal conductivity (200 W mK −1 ). Additionally, the Cf‐integrated electrodes can have an extremely high mass loading of NMC 532 (70 mg cm −2 ) with a theoretical capacity of 14 mAh cm −2 . Thus, the practical full cells assembled with the Cfs‐enabled electrodes exhibit an initial areal capacity of 4.1 mAh cm −2 and capacity retention of 90.4% at 500 cycles at a cycling rate of C/3, 1.5 mA cm −2 . Data collected from the operando isothermal microcalorimetry suggest that full cells utilizing the Cf anode experience less heat release from side reactions compared to cells utilizing a conventional graphite anode. This present approach is scalable and cost‐effective and can fabricate practical LIBs that boast high areal capacity, rate performance, and a lengthy cycling lifetime.
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