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鋰離子電池的快速充電能力直接影響其在3C電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用。電池的快充能力與電極結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。常規(guī)的電極由隨機(jī)堆疊的活性顆粒組成，其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)隨機(jī)無序（圖1，左），需要降低電極載量和厚度來縮短鋰離子在電極中的傳輸距離，從而提升電極的快充性能。然而，這大大降低了活性物質(zhì)在電極整體中的占比（活性材料/（活性材料+非活性材料）），犧牲了電池的整體能量密度。因此，亟需實(shí)現(xiàn)在保持電極高面容量的情況下，提高電池的快充性能，從而滿足3C電子產(chǎn)品和電動(dòng)交通工具對(duì)能量密度和快充性能的綜合需求。

近日，華中科技大學(xué)孫永明教授課題組等提出了一種由大尺度單層顆粒組成的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1，右），該電極具有垂直于集流體的載流子傳輸通道，能夠解決高載量電極所面臨離子傳輸速率慢的問題。將紅P負(fù)載到具有垂直排列納米通道（~ 22 nm）的大塊石墨烯基顆粒中（紅P/VAG，~60 μm），設(shè)計(jì)了由大尺度單層紅P/VAG顆粒組成的電極。該電極在面容量高達(dá)5.6 mAh cm^-2（商業(yè)石墨快充極片2倍）時(shí)，能夠使電池10分鐘快充至50%以上容量。由于適度高于商業(yè)石墨的工作電位，該負(fù)極在快充條件下可以避免具有安全危害性的鋰枝晶的生成。該電極與商業(yè)正極組裝的軟包電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和高的能量密度（405 Wh kg^-1），超過商業(yè)石墨基快充電池的能量密度。電池進(jìn)行10 快速充電其能量密度可達(dá)204 Wh kg^-1。因此，所設(shè)計(jì)的電極能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的快速充電和高的能量密度，對(duì)高性能電極材料和電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

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圖1.常規(guī)納米/亞微顆粒電極（左）和單層活性顆粒電極（右）的示意圖。

圖2.（a）紅P/VAG顆粒的制備示意圖；（b, c）VAG顆粒的SEM和TEM圖；（d）紅P/VAG顆粒的STEM和相應(yīng)的元素分布圖像；（e）VAG和紅P/VAG顆粒的氮?dú)馕摳降葴鼐€；（f, g）單層紅P/VAG顆粒電極的SEM圖；（e）中的插圖為VAG和紅P/VAG顆粒的孔徑分布圖。

圖3.（a）NCM622||單層紅P/VAG軟包電池的結(jié)構(gòu)示意圖；（b, c） NCM622||單層紅P/VAG軟包電池在1至40 mA cm^-2的充電電流密度下的倍率性能；（d）當(dāng)充電時(shí)間為30、20、15、12、10和8 min時(shí)電池可達(dá)到的Eg和Ev；（e）各類電化學(xué)儲(chǔ)能裝置和NCM622||單層紅P/VAG軟包電池能量和功率密度的拉貢圖；（f, g）NCM622||單層紅P/VAG軟包電池在15 mA cm^-2的充電電流密度下的循環(huán)性能（充電時(shí)間為20 min）。

Advanced Materials于近日在線刊發(fā)了相關(guān)研究成果Single-Layer-Particle Electrode Design for Practical Fast-Charging Lithium-ion Batteries，該研究工作第一完成單位為華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202892

參考資料：http://news.hust.edu.cn/info/1002/45161.htm