PTFE活化的石墨烯克服了分散难题，实现了锂金属电池中超厚、高性能阴极的无溶剂大规模制造

《Advanced Functional Materials》：PTFE-Activated Graphene Overcomes Dispersion Challenges for Scalable Solvent-Free Fabrication of Ultra-Thick, High-Performance Cathodes in Lithium Metal Batteries

溶剂-free工艺制备的rGO@PTFE纳米复合材料作为导电粘结剂，成功开发出高能量密度NCM超厚阴极（15.2 mA h cm?2，562.9 mA h cm?3），提升锂离子迁移数至0.73并降低电荷转移电阻62%。搭配锂金属阳极构建全电池，实现1088 Wh L?1超高体积能量密度，50次循环后容量保持92%。

　　在现代科技的快速发展中，锂离子电池（LIBs）已成为推动便携式电子设备和电动汽车进步的关键技术。其卓越的能量密度、出色的循环效率和较长的使用寿命，使得LIBs在众多应用领域中占据重要地位。然而，随着对更高能量密度和更低成本制造的需求不断增长，LIBs的应用领域正逐步扩展至新兴技术，如人形机器人、无人机以及大规模储能系统（ESS）。这进一步推动了对高性能、低成本LIBs制造工艺的研究和开发。

干法加工技术作为一种替代传统浆料制备电极的创新方法，受到了广泛关注。其优势在于省去了溶剂的使用，从而简化了制造流程、缩短了生产时间、降低了溶剂蒸发和回收相关的操作成本，并显著减少了挥发性有机化合物（VOCs）的排放。近年来的研究表明，干法加工能够实现厚电极的制造，从而同时提升能量密度和生产可扩展性，这使其被视为下一代LIBs制造的有前景路径。然而，干法加工仍面临一个关键挑战：在没有溶剂的条件下，如何实现导电剂和粘结剂在厚电极中的均匀分散，这对于充分释放厚电极材料的性能至关重要。

针对这一问题，研究人员开发了一种基于还原氧化石墨烯（rGO）的新型纳米复合材料，即PTFE纳米颗粒锚定在rGO表面的rGO@PTFE。该材料通过一种简便的湿化学方法合成，利用硫醇基团作为温和的还原剂，去除氧化石墨烯（GO）中的含氧官能团，恢复其疏水性的sp2碳结构。这种结构的转变使PTFE纳米颗粒能够通过疏水相互作用物理地锚定在rGO表面，从而形成稳定的纳米复合材料。这种设计不仅有效防止了rGO片层的重叠，还通过原位纳米纤维化促进了PTFE纳米颗粒的均匀分散，为后续的厚电极制造提供了基础。

实验结果表明，rGO@PTFE材料在多种有机溶剂中表现出优异的分散稳定性，特别是在非质子性和极性溶剂中。其比表面积显著高于原始的GO@PTFE，为电极材料提供了更大的表面积和更高效的电解液润湿性。这些特性对于实现高能量密度的厚电极至关重要，因为它们能够促进锂离子的传输和电荷缓冲，从而提升电池的电化学性能。此外，通过X射线衍射（XRD）和氮气吸附-脱附等测试手段，研究人员确认了rGO@PTFE材料在结构上的稳定性，其表面未出现典型的石墨堆叠结构，表明PTFE锚定成功地阻止了rGO的重叠，使其在电极中保持良好的分散状态。

基于rGO@PTFE纳米复合材料，研究团队成功制备了一种高镍层状氧化物（NCM）为基础的干法厚电极（G@P_TC）。这种电极具有高达3.1 g/cm3的密度，并在厚度为约270 μm的情况下，实现了超过15 mA h/cm2的面积容量和563 mA h/cm3的体积容量，显著优于传统参考电极。在电化学性能方面，G@P_TC表现出卓越的离子传输能力，其锂离子传递数（t_Li+）达到0.73，比传统电极提升了约70%。同时，其电荷转移电阻（R_ct）也降低了62%，表明其具有更高效的电子传导性。这些性能优势使得G@P_TC在高负载和厚电极配置下仍能保持优异的倍率性能和循环稳定性。

进一步的全电池测试显示，当G@P_TC与锂金属负极（LMA）结合时，能够实现前所未有的高体积能量密度，达到1088 Wh/L，同时保持约92%的容量保持率。这一结果表明，G@P_TC不仅在实验室条件下表现出色，而且在实际应用中具有巨大的潜力。此外，与传统电极相比，G@P_TC在制造成本方面也具有明显优势。尽管GO前驱体价格较高，但由于其在电极中的比例较小，对整体成本影响有限。同时，干法制造过程省去了溶剂蒸发和回收的步骤，进一步降低了生产成本。随着工业化的推进，GO的商业价格预计还会下降，从而进一步提升G@P_TC的经济可行性。

在电化学性能评估中，G@P_TC表现出显著优于传统电极的特性。通过恒流充放电测试和原位电化学阻抗谱（EIS）分析，研究人员发现G@P_TC的电荷转移阻抗显著低于传统电极，这表明其内部形成了更高效的导电网络和离子传输路径。在电极厚度和活性物质负载量增加的情况下，G@P_TC依然保持了较高的容量保持率，显示出其在厚电极中的稳定性。此外，通过对比不同负载下的电化学行为，研究团队发现G@P_TC的面积容量和体积容量均优于传统电极，特别是在高倍率下，其性能表现更为突出。

研究团队还通过不同的测试手段验证了rGO@PTFE纳米复合材料的多功能性。例如，通过接触角测量和电解液吸收测试，他们发现G@P_TC的电解液润湿性和吸收能力显著优于传统电极，这有助于提升电池的离子传输效率。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析，研究人员确认了PTFE纳米颗粒在rGO表面的均匀分布和纳米纤维化现象，这种结构有助于形成连续的导电网络，促进锂离子的均匀传输。同时，通过X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，他们验证了rGO的还原程度以及PTFE纳米颗粒的结合情况，进一步支持了其在电极中的应用价值。

在电化学性能的评估中，G@P_TC表现出卓越的循环稳定性。在50次循环后，其容量保持率达到了92%，远高于传统电极的82%。这种优异的循环性能主要归因于rGO@PTFE材料在电极内部形成的稳定结构，以及其对机械应力的有效缓冲能力。此外，通过对比不同导电剂的电极性能，研究团队发现rGO在导电性方面显著优于传统导电剂，如Super P。这表明，rGO@PTFE不仅在导电性上具有优势，还能有效提升电极的结构稳定性和电化学性能。

此外，研究团队还通过一系列实验进一步验证了rGO@PTFE纳米复合材料在不同条件下的性能表现。例如，在不同电压窗口下进行的循环伏安法（CV）测试显示，G@P_TC的电化学行为更加稳定，其容量保持率显著优于传统电极。同时，通过比较不同电极材料的电荷转移阻抗和Warburg阻抗，研究人员发现G@P_TC的电荷转移阻抗仅为约12 Ω，而传统电极则高达约92 Ω，这表明其内部的离子传输路径更加高效，减少了浓度极化现象，从而提升了电池的整体性能。

在商业化潜力方面，研究团队通过经济分析指出，尽管GO前驱体的成本较高，但由于其在电极中的比例较小，对整体成本的影响有限。同时，干法制造过程省去了溶剂蒸发和回收步骤，降低了制造成本。随着GO在工业中的广泛应用，其价格预计会进一步下降，从而提升G@P_TC的经济可行性。这一结果表明，G@P_TC不仅在技术上具有优势，而且在商业应用上也具备广阔的前景。

综上所述，这项研究通过引入rGO@PTFE纳米复合材料，成功解决了干法加工厚电极中的均匀分散难题，实现了高能量密度和高性能的锂离子电池。其显著的电化学性能和经济优势，使得G@P_TC成为下一代LIBs制造工艺的有力候选方案。未来，随着材料的进一步优化和制造技术的提升，G@P_TC有望在更大范围内推广，推动锂离子电池技术的持续进步。