标准与柔性锂离子电池电极的急性形变特性研究

随着锂离子电池在消费电子、电动汽车及新兴的可穿戴设备中广泛应用，理解其在机械应变下的耐受性对于确保性能、安全性和寿命至关重要。尤其是对于柔性电池，电极的机电稳定性是实现动态稳定性的核心，即在反复弯曲或折叠下仍能保持电化学性能。传统的浆料涂布电极，由活性物质、导电剂和粘结剂涂覆在金属集流体上制成，在卷绕成圆柱形电池的“果冻卷”结构时，中心位置会承受极高的应力集中，导致微结构损伤。而静电纺丝电极凭借其高长径比和自支撑的多孔纤维结构，被认为是解决柔性电池机械失效的有前景方案。

本文通过模拟极端的180°折叠协议，对比了静电纺丝电极（ES）与传统浆料涂布电极（SC）在急性形变下的结构和电化学响应。研究采用了同步辐射X射线纳米计算机断层扫描、X射线衍射、电化学阻抗谱（EIS）以及原位扫描电子显微镜拉伸测试等先进表征手段。

电极制备与微观结构

Millennial Lithium

研究制备了两种磷酸铁锂（LFP）正极：浆料涂布电极（SC）和静电纺丝电极（ES）。SC电极采用传统的涂布工艺，将LFP、Super P和PVDF浆料涂覆在铝箔上。ES电极则通过同轴静电纺丝和静电喷雾技术制备，将LFP颗粒锚定在聚丙烯腈（PAN）衍生的碳纳米纤维网络上，并引入多壁碳纳米管以增强导电性。

静电纺丝正极的扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和X射线衍射（XRD）分析

SEM图像显示，ES电极呈现出独特的多孔纤维结构，LFP颗粒被碳纤维网络包裹或连接，这为电解液浸润和应力释放提供了有利条件。TGA分析表明，ES电极的活性物质载量约为1.8 mg cm⁻²（占整体质量的83%），而SC电极约为2.2 mg cm⁻²（占31%）。

电化学性能与阻抗分析

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为了评估折叠对电化学性能的影响，对折叠前后的电极进行了EIS和循环伏安（CV）测试。结果显示，经过一次180°折叠后，SC电极（SC-F）的电荷转移电阻（RCT）增加了约61%，欧姆电阻（Rs）增加了约73%。这表明折叠导致了严重的微结构损伤，如颗粒脱落、导电网络断裂及集流体分层。

相比之下，ES电极（ES-F）在折叠后表现出更强的韧性，RCT仅增加约12.5%，Rs增加约7.5%。这归因于其自支撑的纤维网络结构，即使在局部发生断裂，仍能通过纤维搭接维持电子通路。

折叠前后ES和SC电极的电化学表征

微观结构损伤的可视化分析

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为了深入揭示失效机制，研究利用同步辐射技术对折叠区域进行了无损检测。2D-XRD面扫描结果显示，SC-F电极在折叠区域的铝（Al）衍射强度显著降低，表明集流体发生了严重的结构破坏和晶粒取向改变。而ES-F电极的碳峰强度分布均匀，未见明显的结构退化。

进一步的Nano-CT成像直观地展示了内部损伤。在SC-F电极中，观察到了明显的电极层断裂和与集流体的分层（Delamination），集流体本身也出现了永久性的塑性变形。相反，ES-F电极在折叠后保持了结构的完整性，未见明显的裂纹或层间分离。

未折叠（SC）和折叠（SC-F）浆料涂布电极的X射线纳米计算机断层扫描（nano-CT）图像

折叠前（ES）和折叠后（ES-F）静电纺丝电极的X射线纳米计算机断层扫描（nano-CT）图像

原位SEM拉伸测试

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原位SEM拉伸测试进一步揭示了两种电极的力学行为差异。SC-F电极表现出脆性断裂特征，在大约0.55%的应变下即发生断裂，且断裂处没有纤维连接，导致电隔离。而ES-F电极虽然在折叠轴处也发生了断裂，但SEM图像清晰地显示了碳纤维桥接现象。这些桥接的纤维在裂纹扩展过程中维持了电子导通，使得电极在机械失效后仍能保持一定的电化学功能。

拉伸载荷下静电纺丝（ES-F）和浆料涂布（SC-F）电极的原位SEM图像及相应的名义应力-应变曲线

本研究通过多尺度的表征手段证实，静电纺丝电极凭借其自支撑、各向异性的纤维网络结构，在急性机械形变下表现出优异的耐受性。相比于传统浆料涂布电极易发生的脆性断裂和集流体分层，静电纺丝电极通过纤维桥接机制维持了电子连接。这为设计下一代高耐用性、可穿戴柔性电池提供了重要的理论依据和设计思路，强调了消除金属集流体和构建三维导电网络在提升电极机电稳定性方面的关键作用。

原文参考：Acute deformation characteristics of standard and exible lithium-ion battery electrodes

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