Page 127 - 能源动力工程的发展与展望

第五章 锂离子电池

结而成的层状结构。在充电的过程中，结构阳极发生氧化反应 Li+ 离子脱嵌，再
通过结构电解质扩散到结构阴极发生还原反应完成嵌锂的过程。MCSB 的性能主
要取决于纤维电极和结构电解质。在纤维负极的研究中，碳纤维的电容量对纤维

负极的性能影响至关重要，选用更高电容量的纤维电极也就意味着能实现更高能
量密度的 MCSB。Kjell 等实验研究了碳纤维模量对其容量的影响。结果发现在
100mA/g 的锂化速率下，经过 10 个循环后未上浆的中模量碳纤维 IMS65（290GPa）
的容量高达 177mA·h/g，而高模量碳纤维 UTS50（480GPa）容量低于 30mA·h/g，

具有相似模量的碳纤维具有相似的电化学性能，且中模量碳纤维（270~315GPa）
循环后的容量最高。Fredi 等探究了其本质原因，模量高，锂离子嵌入机制更加
接近于结晶石墨，容易造成湍流紊乱现象，导致容量降低；模量低，锂离子插入
机制更接近于无定形碳的插入机制，容量较高。

基于该研究结果，可以通过改性碳纤维的微观结构获得更高电性能的纤维电
极。除了碳纤维的微观结构外，锂化速率对容量的影响也较为明显，对比 IMS65
碳纤维在 18mA/g、35mA/g、88mA/g、177mA/g 不同锂化速率下的容量（对应充
电速率为 0.1C、0.2C、0.5C 和 1.0C），可以发现降低锂化速率可以提高电池的

可逆容量。Hagberg 等和 Leijonmarck 等采用了电泳显示（EPD）技术将活性物
质沉积在碳纤维丝束上，研究发现采用 EPD 技术的涂层与纤维结合较致密，制
成复合材料薄板的力学性能较好弯曲强度达到 2.4GPa。与锂组装成半电池做电
化学表征，在 0.1C 倍率下充放电测试电池的电容量可达 260mA·h/g；库伦效率

高达 99.8%。Moyer 等把掺有碳纳米管和导电添加剂的磷酸铁锂、石墨涂覆在碳
纤维编织材料上制备电池的正极和负极，用浸润过液态电解质的隔膜隔开后夹入
碳纤维层压板中固化。制成的 MCSB 内部结构更加连续，提高了力的传递效率。
经估算，该结构的 ΩS 约为 0.9，ΩE 约为 0.25。多功能复合材料薄板的能量密

度达到 35W·h/kg，拉伸强度达到 213MPa。该实验结果表明，用该方法制成的
MCSB 力学性能较好但能量密度较差，其原因可能是树脂在浸润固化的过程中影
响了液态电解质的离子传递效率造成能量密度的显著下降。在结构电解质的研究
中，由于现阶段常用的液态电解质不具备结构承载的性能，Wan 等提出了具有较

高离子电导率，且良好承载能力的固态电解质制备方法。在厚度为 8.6µm 具有
垂向纳米通道的聚酰亚胺（PI）薄膜中填充了聚环氧乙烷 / 双三氟甲基磺酰亚胺
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锂（PEO/LiTFSI），制成的固态电解质离子电导率达到 2.3×10–4S·cm ，满足

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