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0D/1D碳颗粒/单壁碳纳米管通过自组装效应均匀分散，形成超高功率锂/碳纤维中的协同导电网络xHAWKER蓄电池

使用稳定且分散的导电剂克服氟化碳在Li/CF中电导率低且电极动力学差的问题_x主电池。本研究中，高色散三维导电剂通过静电自组装单壁碳纳米管（单壁碳纳米管，1D）和Super P（SP，0D）在界面活性剂的立体效应下设计。电弧放电合成的单壁碳纳米管（直径约1.5纳米，I_G/I_D≥50）和SP通过超声波形成高度分散的杂交体（SP/单壁碳纳米管，SPS），在NMP溶液中具有超过7天的胶体稳定性。超声剪切被驱动以去除十二基硫酸钠表面活性剂溶液中单壁碳纳米管和SP的聚集。与SP和球混型SP/单碳纳米（SPSM）导电剂相比，SPS实际上为锂和电子提供了更多的传输路径。研究发现，SPS在Li/CF放电率80°C时，能提供更高的电压平台和144.13千瓦/千瓦的功率密度⁺_x而使用SP和SPSM的电池由于表面极化，难以高速放电。高色散三维导电剂的设计为超高功率锂/氟化提供了便捷高效的路径_x电池。

图形摘要

锂/氟化碳（Li/CF_x）一次电池因其高能量密度（2180 Wh/kg）、稳定的放电电压（2.2–2.8 V）、宽广的工作温度范围以及高安全性而广泛应用于不同领域 [1]， [2]， [3]， [4]。氟化碳（CF_x）具有目前商业化锂初级电池的理论比容（865 mAh/g）阴极材料，但由于电极动力学差、阴极电子导电率低以及放电时阴极膨胀等缺陷，限制了其在高功率场景中的应用。CF中观察到的有限电导率_x（x ≥ 1）主要源于C-F键高度离子性和共价特性[5]、[6]。为缓解这一问题，采用了多种策略以增强电荷传输性能，包括：（i）修改CF_x通过导电涂层提升表面导电性[7]、[8]、[9]，（ii）优化电解质类型[10]、[11]、[12]，（iii）制备CF_x基于复合材料的材料[13]、[14]，以及（iv）利用碳纳米管（CNT）作为导电填充物构建三维（3D）导电网络[15]、[16]、[17]。L. Sun等人改进了Li/CF的能量密度和功率密度_x电池复合材料石墨烯和碳纳米管在碳纤维化表面_x.因此，其能量密度极高，达到1256 Wh/kg，功率密度优异，达到72,929 W/kg，且功率高达40摄氏度[9]。石墨烯促进电子传递的能力受限于电子传递，因为电子传递只能在平面上实现。加入多动碳纳米管后，三维导电网络将形成，这意味着更高的电子传输效率。Chen等人提高了Li/CF的放电率_x通过利用碳纳米管阵列作为导电剂，构建CF之间丰富的电荷传递通道_x在5°C的放电速率下，实现了697.32 mAh/g的放电比容量[16]。Li等人通过使用多壁碳纳米管（MWCNTs）作为替代导电剂，改进了比容、能量密度和电压平台。在1°C放电率下，其比容量约为712 mAh/g[18]。与多层碳纳米管相比，单壁碳纳米管（SWCNT）在作为导电剂使用时具有更优异的电导率、更高的比表面积以及更高效的三维导电网络形成，从而显著增强了电子传递[16]、[19]。
然而，单壁碳纳米管之间的强烈范德华相互作用促进了显著聚集和较差的分散性，这限制了它们在Li/CF中的实际应用_x电池系统。研究表明，单壁碳纳米管在水溶液中的表面活性剂辅助分散是通过分子吸附到纳米管表面实现的。为此目的已使用多种界面活性剂，包括十二烷基硫酸钠（SDS）[20]、[21]、十二烷基苯磺酸钠[22]、[23]、椰可酰丙基甜菜碱[24]和胆酸钠[25]、[26]，每种物质都促进碳纳米管（碳纳米管）通过不同的界面相互作用扩散。其基本思想是通过疏水性相互作用、π-π键、氢键和静电相互作用，使表面活性剂分子能够吸附在碳纳米管表面，从而防止碳纳米管的交织[27]、[28]。由于其卓越的成本效益、分离能力以及在水溶液系统中优异的静电稳定性，SDS被优先用作单壁碳纳米管的表面活性剂。研究表明，MWC碳纳米管的胶体稳定性得以维持数月，得益于MWC表面的SDS[29]。在碳纳米管-SDS中，高色散率在N-甲基吗啧啶N-氧化物中被处理至78%，而未修饰碳纳米管中仅有46%[30]。由于SDS在碳纳米管上的自组装和超声剪切，碳纳米管在水系中形成了稳定的色散。
在这项工作中，SDS界面活性剂被用作两亲性分散剂，通过协同色散和静电自组装策略实现超P（SP）和单碳纳米管的均匀分散，且表面活性剂的立体效应作用。该方法使得三维导电剂的构建成为可能，显著提升了Li/CF的放电率性能_x电池。与此同时，三维导电剂提供了额外的电子传递路径，增强了锂的扩散能力和锂/氟化的放电速率⁺_x电池（40摄氏度到80摄氏度）。在SPS-10%作为导电剂时，观察到80摄氏度的高放电率，功率密度高达144.13千瓦/千克。这项工作展示了优化导电剂的实用策略，并为单壁碳纳米管在先进储能系统中的应用建立了新范式。

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