隨著鋰離子電池在消費電子、電動汽車及新興的可穿戴設備中廣泛應用，理解其在機械應變下的耐受性對于確保性能、安全性和壽命至關重要。尤其是對于柔性電池，電極的機電穩定性是實現動態穩定性的核心，即在反復彎曲或折疊下仍能保持電化學性能。傳統的漿料涂布電極，由活性物質、導電劑和粘結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”結構時，中心位置會承受極高的應力集中，導致微結構損傷。而靜電紡絲電極憑借其高長徑比和自支撐的多孔纖維結構，被認為是解決柔性電池機械失效的有前景方案。

本文通過模擬極端的180°折疊協議，對比了靜電紡絲電極（ES）與傳統漿料涂布電極（SC）在急性形變下的結構和電化學響應。研究采用了同步輻射X射線納米計算機斷層掃描、X射線衍射、電化學阻抗譜（EIS）以及原位掃描電子顯微鏡拉伸測試等先進表征手段。

電極制備與微觀結構

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制備，將LFP顆粒錨定在聚丙烯腈（PAN）衍生的碳納米纖維網絡上，并引入多壁碳納米管以增強導電性。

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電極呈現出獨特的多孔纖維結構，LFP顆粒被碳纖維網絡包裹或連接，這為電解液浸潤和應力釋放提供了有利條件。TGA分析表明，ES電極的活性物質載量約為1.8 mg cm?2（占整體質量的83%），而SC電極約為2.2 mg cm?2（占31%）。

電化學性能與阻抗分析

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為了評估折疊對電化學性能的影響，對折疊前后的電極進行了EIS和循環伏安（CV）測試。結果顯示，經過一次180°折疊后，SC電極（SC-F）的電荷轉移電阻（RCT）增加了約61%，歐姆電阻（Rs）增加了約73%。這表明折疊導致了嚴重的微結構損傷，如顆粒脫落、導電網絡斷裂及集流體分層。

相比之下，ES電極（ES-F）在折疊后表現出更強的韌性，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絡結構，即使在局部發生斷裂，仍能通過纖維搭接維持電子通路。

折疊前后ES和SC電極的電化學表征

微觀結構損傷的可視化分析

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為了深入揭示失效機制，研究利用同步輻射技術對折疊區域進行了無損檢測。2D-XRD面掃描結果顯示，SC-F電極在折疊區域的鋁（Al）衍射強度顯著降低，表明集流體發生了嚴重的結構破壞和晶粒取向改變。而ES-F電極的碳峰強度分布均勻，未見明顯的結構退化。

進一步的Nano-CT成像直觀地展示了內部損傷。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），集流體本身也出現了永久性的塑性變形。相反，ES-F電極在折疊后保持了結構的完整性，未見明顯的裂紋或層間分離。

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

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

原位SEM拉伸測試

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原位SEM拉伸測試進一步揭示了兩種電極的力學行為差異。SC-F電極表現出脆性斷裂特征，在大約0.55%的應變下即發生斷裂，且斷裂處沒有纖維連接，導致電隔離。而ES-F電極雖然在折疊軸處也發生了斷裂，但SEM圖像清晰地顯示了碳纖維橋接現象。這些橋接的纖維在裂紋擴展過程中維持了電子導通，使得電極在機械失效后仍能保持一定的電化學功能。

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

本研究通過多尺度的表征手段證實，靜電紡絲電極憑借其自支撐、各向異性的纖維網絡結構，在急性機械形變下表現出優異的耐受性。相比于傳統漿料涂布電極易發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制維持了電子連接。這為設計下一代高耐用性、可穿戴柔性電池提供了重要的理論依據和設計思路，強調了消除金屬集流體和構建三維導電網絡在提升電極機電穩定性方面的關鍵作用。

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

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