作為消費電子與電動汽車的核心動力儲存部件，鋰離子電池在推動碳中和進程中扮演著關(guān)鍵角色。為了滿足電動汽車對更長續(xù)航里程和更快充電時間日益增長的需求，提高鋰離子電池的能量密度、快充能力和循環(huán)壽命至關(guān)重要。一種有前景的方法是開發(fā)具有增強電化學性能和機械穩(wěn)定性的厚電極鋰離子電池。然而，該策略面臨兩大挑戰(zhàn)：一是由于離子和電子傳輸距離增加導致反應(yīng)動力學降低；二是高充放電速率下由于高鋰化應(yīng)力導致導電劑和電極顆粒之間的界面脫層進而加速電池性能退化。近期，材料科學家提出的梯度微結(jié)構(gòu)設(shè)計方案為厚電極技術(shù)開辟了新路徑，這種微結(jié)構(gòu)設(shè)計通過構(gòu)建電極內(nèi)部的梯度結(jié)構(gòu)，有望同步實現(xiàn)電荷高效傳輸與應(yīng)力優(yōu)化分布。由于缺乏梯度厚電極體系內(nèi)離子/電子傳輸與反應(yīng)的協(xié)同機制以及應(yīng)力演化規(guī)律的深度認知，當前研究仍停留在“試錯式”探索階段。

近日，中國科學技術(shù)大學倪勇教授、何陵輝教授研究團隊與合作者揭示了梯度厚電極體系內(nèi)離子/電子協(xié)同的傳輸與反應(yīng)機制；設(shè)計了一種多梯度匹配的厚電極微結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化的傳輸與反應(yīng)動力學，協(xié)同增強了厚電極快速充電能力和機械穩(wěn)定性，為設(shè)計高倍率抗損傷電池提供了一種通用的理論方案。相關(guān)研究成果以“Gradient-Matched Microstructural Engineering for Fast-Charging, Damage-Tolerant Thick Electrodes of Lithium-Ion Batteries” 為題發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊《Advanced Energy Materials》上。

圖1.多梯度微結(jié)構(gòu)設(shè)計準則-匹配準則

圖2.多梯度微結(jié)構(gòu)厚電極具有增強的快充和機械性能

厚電極由于離子/電子傳輸?shù)牟粚ΨQ性和顯著增加的路徑，在電極內(nèi)部沿著厚度方向存在三個固有的梯度物理場：電解液中的鋰離子通量、導電網(wǎng)絡(luò)中的電子通量以及顆粒表面的反應(yīng)通量（圖1a-b）。這種固有的梯度物理場是厚電極快充和機械性能較差的主要原因。研究團隊提出了一種通用的厚電極微結(jié)構(gòu)設(shè)計原理—匹配原則，該原則將導電劑、孔隙率和粒徑的梯度分布與這些固有的通量梯度相匹配，實現(xiàn)了一種多梯度匹配的電極微結(jié)構(gòu)：從隔膜到集流體，導電劑含量和粒徑逐漸增加，同時孔隙率逐漸減小（圖1c-d）。研究團隊構(gòu)建了鋰離子電池的力-電-化全耦合模型，通過多物理場仿真模擬驗證了該多梯度結(jié)構(gòu)可以協(xié)同增強厚電極的快充性能和機械性能，快充性能提高34.04%，同時電極損傷降低20.34%（圖2）。

圖3.多梯度微結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)同改善了厚電極離子/電子/反應(yīng)動力學

研究團隊進一步揭示了通量梯度與微結(jié)構(gòu)梯度匹配的內(nèi)在機理。首先，靠近集流體的導電劑越多，可以為電子傳輸提供更多可用路徑，從而最大限度地減少電子傳輸阻力。其次，孔隙率分布應(yīng)與鋰離子通量相匹配，使得靠近隔膜的較大孔隙率可以顯著提高局部離子擴散系數(shù)，在鋰離子通量梯度存在的情況下為離子傳輸提供更多可用路徑，從而減輕電解液中的濃差極化。第三，靠近隔膜的較小顆?？梢蕴岣唠娀瘜W反應(yīng)速率以匹配該處的高反應(yīng)通量，從而在鋰化末期，靠近隔膜的小顆?？梢砸种齐娀瘜W反應(yīng)，減少該區(qū)域的鋰消耗，使更多的鋰轉(zhuǎn)移到集流體側(cè)，使得靠近集流體的大顆粒具有更大的反應(yīng)電流密度，從而提高電化學反應(yīng)沿電極深度方向的均勻性（圖3）。

研究團隊的工作系統(tǒng)揭示了梯度厚電極體系內(nèi)離子/電子傳輸機制與應(yīng)力演化規(guī)律，從原理上給出了一種普適的厚電極梯度微結(jié)構(gòu)設(shè)計準則，這種多梯度微結(jié)構(gòu)可以有效緩解厚電極能量密度和功率密度之間的矛盾，同時抑制電極的分層損傷，從而為厚電極的商業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

中國科學技術(shù)大學工程科學學院博士研究生牛欣亞博士為論文第一作者，倪勇教授、陸宇陽助理研究員為共同通訊作者。合作者包括中國科學技術(shù)大學何陵輝教授、北京理工大學廖湘標教授。該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。