摘要：近年来，固态锂离子电池（SSLBs）的安全性与能量密度不断提升，逐渐成为下一代电化学储能领域的焦点。然而，要想在实际应用中大规模部署，电池正极在高负载与厚电极条件下依然面临诸多挑战：离子传输效率低、机械稳定性不足以及界面复合过程复杂等。常见的正极材料与固态电解

【研究背景】

近年来，固态锂离子电池（SSLBs）的安全性与能量密度不断提升，逐渐成为下一代电化学储能领域的焦点。然而，要想在实际应用中大规模部署，电池正极在高负载与厚电极条件下依然面临诸多挑战：离子传输效率低、机械稳定性不足以及界面复合过程复杂等。常见的正极材料与固态电解质混合后，难以同时兼顾导电网络的构建与离子输运通道的贯通，从而制约了高能量密度及长循环寿命的进一步提升。

传统浆料涂覆工艺制备的厚电极通常存在孔隙分布不均、集料易脱落以及离子传输路径冗长等瓶颈，即使提高活性材料负载量，也难以充分发挥材料潜能。与此同时，固态体系本身的离子导电率远低于液态电解质，若缺乏合理的三维支撑与离子通道设计，就容易导致界面极化和循环性能下降。如何突破这一限制，已成为固态电池学界与产业界共同关注的焦点。

本文所介绍的工作针对这一难题提出了创新思路：通过3D打印与剪切力诱导排列技术，在厚电极内部构建垂直取向的碳纳米管（CNT）导电通道和高效离子传输网络，制成被称为“FAST（Filler-Aligned Structured Thick）”的正极。该设计不仅强化了正极材料的综合力学性能，还在微观尺度上实现了电子和离子并行传输的协同效应。研究团队利用聚合物热解与后期电解质浸润等多步工艺，最终构筑出具有高离子迁移率与优异机械强度的厚电极结构，并在约40℃下实现在0.2C倍率下148.2mAh/g的循环容量，同时有效提升了能量密度与循环稳定性。这样的一种三维导电骨架，为解决传统浆料电极在固态化进程中难以兼顾高负载和高能量密度的难题提供了新的解决方案。

图1：FAST正极结构及导电填料对FAST正极影响的示意图。

【结果与讨论】

1、实验设计与制备方法

（1）电极配方与3D打印原理

作者采用PLA（聚乳酸）、活性材料LFP（磷酸铁锂）及碳纳米管（CNT）等混合制成可挤出的复合丝材。该复合丝材在约195℃下，通过熔融挤出3D打印的方式在平面基底上分层打印，配合剪切力诱导使碳纳米管在厚电极内部形成了垂直排列。

打印完成后，得到的生坯电极继续经过高温热解（600℃），去除PLA形成多孔“brown”骨架。此时，CNT与LFP颗粒之间保留了3D打印时的空间排布。最后，通过PEO-LiTFSI电解质的溶液浸润，将聚合物电解质渗入骨架孔隙，形成最终具备离子通道 + 导电网络协同结构的FAST电极。

（2）对比体系与测试条件

研究团队以传统浆料涂覆方法制备的厚电极作为对比（slurry-casted cathode），并在相同条件下进行结构表征、离子电导分析及电化学性能测试。电池组装采用固态纽扣电池或软包电池形式，测试温度多为40℃。部分力学和热稳定性测试则在120℃或5 kPa载荷下进行，以模拟高温与压力环境对电极压缩形变的影响。

图2：FAST阴极的制造工艺和形貌。

2、结构与形貌表征

（1）3D打印形貌与CNT排列

从论文的显微图（如图2、图3所示）可见，3D打印形成的厚电极呈现约200 μm左右的整体厚度。打印过程中，CNT在挤出方向上受到剪切力，形成近似垂直朝上的取向分布；而传统浆料电极中碳导电剂无序分散，容易导致长路径的传输阻力。作者利用SEM、X射线衍射等手段证实，FAST电极在微观尺度上拥有多孔骨架且垂直取向的CNT能为离子与电子提供更快捷的通道。

（2）棕体结构与聚合物电解质浸润

通过对“brown”骨架的横截面和表面进行观察，可以发现该结构在热解后形成了高度互连的CNT/LFP网络。随后，PEO-LiTFSI溶液注入骨架的孔隙区域，并在后续温和条件下实现溶剂挥发与聚合物固化。作者指出：垂直排列的CNT不仅提供导电通路，其表面还形成了电双层效应（EDL），可增强局部电场强度，进而加速离子的迁移与扩散。

图3：FAST正极的结构表征。

3、电化学性能与机理分析

（1）离子/电子传输与局部电场增强

为了定量解释FAST电极的高性能，作者在文中结合多种表征手段（EIS、DSC等）与理论模拟（有限元分析），重点探讨了CNT对PEO-LiTFSI离子导电性能的影响。

（2）机械性能与热稳定性

FAST电极在高载荷（5 kPa）和较高温度（120℃）的测试条件下，依然保持了良好的结构完整性。与传统浆料电极相比，前者在受压缩时的破裂形变更小。

（3）全电池组装与循环性能

为了验证FAST电极在实际固态电池组装中的优越性，论文里采用了LFP/PEO-LiTFSI/CNT正极与锂负极进行测试，并与传统浆料电极进行横向对比：

图4：CNT对FAST正极电导率的影响。

图5：局部效应演示的模拟。

图6：在40℃下使用 FAST 和浆料铸造正极的固态锂金属电池演示。

4、关键创新点与实用性讨论

（1）垂直排列CNT促进双重传输

最为显著的创新在于：研究团队通过3D打印与剪切力诱导实现了垂直取向CNT在厚电极内部的分布，该结构可在电子传输和离子输运两方面提供高效通道，使FAST电极在高负载条件下依旧能够保持优秀的能量密度和循环稳定性。

（2）电双层增强场效应

作者通过多层次表征与模拟指出，CNT表面形成的EDL（electric double layer）会增强局部电场，进一步促进锂离子向活性材料界面的扩散。这是FAST电极传输效率提升的关键机制之一，也为后续设计更复杂的“骨架-电解质”复合体系提供了启发。

（3）“三步法”制造工艺的可扩展性

从PLA基打印丝材到“brown”骨架，再到PEO-LiTFSI溶液浸润，整个流程相对清晰，并可扩展到其他正极材料（例如三元、富锂锰基等）。该方法在批量化上需要进一步优化，但为后续研究提供了一个可行的三维结构工程路径。

（4）实际应用前景及潜在挑战

尽管FAST电极展示了较高的容量和优异的力学性能，但要在更高温度、大电流密度甚至更长循环寿命等苛刻工况下稳定运行，还需针对PEO电解质的氧化稳定性、CNT表面修饰及规模化3D打印工艺进行优化。另外，整体电极制造成本和兼容性也将影响其产业化可行性。

综上所述，FAST电极因其特殊的三维导电骨架与电双层效应，实现了高负载、高比容量、优异循环三重结合，为解决厚电极体系下的离子传输瓶颈提供了一条切实可行的新思路。

【总结】

本文通过3D打印与剪切力诱导技术，构建出一种创新性的三维导电骨架厚电极（FAST电极）。其核心特征在于：

1）利用碳纳米管的垂直排列增强电子传输并形成局部电场增益；

2）PEO-LiTFSI电解质在多孔骨架内均匀浸润，以实现高效的锂离子输运通道；

3）通过热解形成brown骨架的方式，大幅提升了电极的机械强度和结构稳定性。

在40℃下测试时，FAST电极实现了148.2 mAh/g（0.2C）且可循环100次的性能表现，活性材料负载量更是高达49.3 mg/cm²。力学测试表明，FAST电极在压缩形变和高温环境下均具有优异的稳定性。作者的微观结构表征和理论模拟进一步揭示，这种垂直取向CNT骨架可产生电双层效应，有效加速离子扩散，在厚电极中兼顾了电子和离子的快速传输。总体而言，这一方法克服了传统浆料电极在固态条件下负载受限与离子传导受阻等瓶颈，为固态电池在安全性与高能量密度上的结合提供了新的可能性。

【编辑评语】

该论文在电极三维设计与打印工艺上展现了极具前瞻性的创新：垂直取向CNT与PEO电解质结合，兼顾机械强度与离子输运速度，堪称对传统浆料涂覆工艺的有效补充。其思路对于后续开发富镍三元、Mn系以及硅负极等高能量密度材料，亦具备参考价值。当然，该体系仍需在大规模制造可靠性、CNT稳定性以及PEO在更高电压环境下的兼容性方面进一步研究。整体而言，FAST电极为固态锂电的发展提供了一个全新的方向，也为日后实现更高能量密度和安全性能的全固态电池带来新的思路和可能。

【文献信息】

其他

来源：锂电动态