隨著鋰離子電池在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車及新興的可穿戴設(shè)備中廣泛應(yīng)用，理解其在機(jī)械應(yīng)變下的耐受性對(duì)于確保性能、安全性和壽命至關(guān)重要。尤其是對(duì)于柔性電池，電極的機(jī)電穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的核心，即在反復(fù)彎曲或折疊下仍能保持電化學(xué)性能。傳統(tǒng)的漿料涂布電極，由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑涂覆在金屬集流體上制成，在卷繞成圓柱形電池的“果凍卷”結(jié)構(gòu)時(shí)，中心位置會(huì)承受極高的應(yīng)力集中，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)損傷。而靜電紡絲電極憑借其高長徑比和自支撐的多孔纖維結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是解決柔性電池機(jī)械失效的有前景方案。

本文通過模擬極端的180°折疊協(xié)議，對(duì)比了靜電紡絲電極（ES）與傳統(tǒng)漿料涂布電極（SC）在急性形變下的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)響應(yīng)。研究采用了同步輻射X射線納米計(jì)算機(jī)斷層掃描、X射線衍射、電化學(xué)阻抗譜（EIS）以及原位掃描電子顯微鏡拉伸測(cè)試等先進(jìn)表征手段。

電極制備與微觀結(jié)構(gòu)

Millennial Lithium

研究制備了兩種磷酸鐵鋰（LFP）正極：漿料涂布電極（SC）和靜電紡絲電極（ES）。SC電極采用傳統(tǒng)的涂布工藝，將LFP、Super P和PVDF漿料涂覆在鋁箔上。ES電極則通過同軸靜電紡絲和靜電噴霧技術(shù)制備，將LFP顆粒錨定在聚丙烯腈（PAN）衍生的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)上，并引入多壁碳納米管以增強(qiáng)導(dǎo)電性。

靜電紡絲正極的掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線光譜（EDX）和X射線衍射（XRD）分析

SEM圖像顯示，ES電極呈現(xiàn)出獨(dú)特的多孔纖維結(jié)構(gòu)，LFP顆粒被碳纖維網(wǎng)絡(luò)包裹或連接，這為電解液浸潤和應(yīng)力釋放提供了有利條件。TGA分析表明，ES電極的活性物質(zhì)載量約為1.8 mg cm?2（占整體質(zhì)量的83%），而SC電極約為2.2 mg cm?2（占31%）。

電化學(xué)性能與阻抗分析

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為了評(píng)估折疊對(duì)電化學(xué)性能的影響，對(duì)折疊前后的電極進(jìn)行了EIS和循環(huán)伏安（CV）測(cè)試。結(jié)果顯示，經(jīng)過一次180°折疊后，SC電極（SC-F）的電荷轉(zhuǎn)移電阻（RCT）增加了約61%，歐姆電阻（Rs）增加了約73%。這表明折疊導(dǎo)致了嚴(yán)重的微結(jié)構(gòu)損傷，如顆粒脫落、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)斷裂及集流體分層。

相比之下，ES電極（ES-F）在折疊后表現(xiàn)出更強(qiáng)的韌性，RCT僅增加約12.5%，Rs增加約7.5%。這歸因于其自支撐的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即使在局部發(fā)生斷裂，仍能通過纖維搭接維持電子通路。

折疊前后ES和SC電極的電化學(xué)表征

微觀結(jié)構(gòu)損傷的可視化分析

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為了深入揭示失效機(jī)制，研究利用同步輻射技術(shù)對(duì)折疊區(qū)域進(jìn)行了無損檢測(cè)。2D-XRD面掃描結(jié)果顯示，SC-F電極在折疊區(qū)域的鋁（Al）衍射強(qiáng)度顯著降低，表明集流體發(fā)生了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞和晶粒取向改變。而ES-F電極的碳峰強(qiáng)度分布均勻，未見明顯的結(jié)構(gòu)退化。

進(jìn)一步的Nano-CT成像直觀地展示了內(nèi)部損傷。在SC-F電極中，觀察到了明顯的電極層斷裂和與集流體的分層（Delamination），集流體本身也出現(xiàn)了永久性的塑性變形。相反，ES-F電極在折疊后保持了結(jié)構(gòu)的完整性，未見明顯的裂紋或?qū)娱g分離。

未折疊（SC）和折疊（SC-F）漿料涂布電極的X射線納米計(jì)算機(jī)斷層掃描（nano-CT）圖像

折疊前（ES）和折疊后（ES-F）靜電紡絲電極的X射線納米計(jì)算機(jī)斷層掃描（nano-CT）圖像

原位SEM拉伸測(cè)試

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原位SEM拉伸測(cè)試進(jìn)一步揭示了兩種電極的力學(xué)行為差異。SC-F電極表現(xiàn)出脆性斷裂特征，在大約0.55%的應(yīng)變下即發(fā)生斷裂，且斷裂處沒有纖維連接，導(dǎo)致電隔離。而ES-F電極雖然在折疊軸處也發(fā)生了斷裂，但SEM圖像清晰地顯示了碳纖維橋接現(xiàn)象。這些橋接的纖維在裂紋擴(kuò)展過程中維持了電子導(dǎo)通，使得電極在機(jī)械失效后仍能保持一定的電化學(xué)功能。

拉伸載荷下靜電紡絲（ES-F）和漿料涂布（SC-F）電極的原位SEM圖像及相應(yīng)的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線

本研究通過多尺度的表征手段證實(shí)，靜電紡絲電極憑借其自支撐、各向異性的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在急性機(jī)械形變下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐受性。相比于傳統(tǒng)漿料涂布電極易發(fā)生的脆性斷裂和集流體分層，靜電紡絲電極通過纖維橋接機(jī)制維持了電子連接。這為設(shè)計(jì)下一代高耐用性、可穿戴柔性電池提供了重要的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)思路，強(qiáng)調(diào)了消除金屬集流體和構(gòu)建三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在提升電極機(jī)電穩(wěn)定性方面的關(guān)鍵作用。

原文參考：Acute deformation characteristics of standard and exible lithium-ion battery electrodes

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